JP2017096591A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体がＵターンして流通する熱交換器において、流体のフローパターンによらずコアプレートを共通化する。
【解決手段】流体が流通する流体通路１０ｂ、１０ｃを内部に有するチューブ１０と、チューブ１０の長手方向端部側に設けられ、チューブ１０と連通するヘッダタンク１３とを備える熱交換器において、ヘッダタンク１３は、チューブ１０が接合されるコアプレート１３０と、コアプレート１３０とともにタンク内空間を構成するタンク本体部１３１とを有しており、チューブ１０は、流体通路を区画する内柱部１０ａを有しており、ヘッダタンク１３は、内柱部１０ａに対応する位置に、タンク内空間を区画する仕切部１３１ｂを有している。仕切部１３１ｂと内柱部１０ｂとの間にシール部材１３２が配置され、チューブ１０において、内柱部１０ａで仕切られた各流体流路１０ｂ、１０ｃには、異なる方向に流体が流れる。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体をＵターンさせて流通させる熱交換器に関するものである。

従来からの内燃機関のみにより動力を得る車両に加え、昨今の燃費規制により、内燃機関での燃焼効率向上や過給気を活用した内燃機関自体の小型化、あるいは内燃機関と電動機の双方から動力を得る車両が登場している。このような多様化する車両の登場に伴い、内燃機関のみならず過給気やインバータ機器のような冷却すべき対象も多様化しており、限られたスペースで効率よく流体を冷却する必要性が高まっている。

流体の冷却効率を高めることを目的として、空気流れの上流側と下流側で流体をＵターンして通過させることで、冷却効率を向上させる前後Ｕターンタイプの熱交換器が知られている（特許文献１、２参照）。

米国特許第４４８５８６７号明細書 国際公開第２００９／０００５８１号

しかしながら、前後Ｕターンタイプの熱交換器では、空気流れの上流側と下流側でチューブが２列配置されるとともに、その間を仕切るシール部材を配置する溝を設けなければならず、流体がＵターンしない全パスタイプの熱交換器とは異なる専用のコアプレートが必要となる。特に異なる種類の流体が流通する複合熱交換器では、流体のフローパターン毎に専用のコアプレートを用意する必要があり、必要とされるコアプレートの種類が増加する。

本発明では、流体がＵターンして流通する熱交換器において、流体のフローパターンによらずコアプレートを共通化することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体が流通する流体通路（１０ｂ、１０ｃ）を内部に有するチューブ（１０）と、チューブの長手方向端部側に設けられ、チューブと連通するヘッダタンク（１３）とを備え、ヘッダタンクは、チューブが接合されるコアプレート（１３０）と、コアプレートとともにタンク内空間を構成するタンク本体部（１３１）とを有しており、チューブは、流体通路を区画する内柱部（１０ａ）を有しており、ヘッダタンクは、内柱部に対応する位置に、タンク内空間を区画する仕切部（１３１ｂ）を有しており、チューブの長手方向端部において、内柱部と仕切部との間にシール部材（１３２）が配置されており、チューブの内柱部で仕切られた各流体流路には、異なる方向に流体が流れるようになっている。

本発明によれば、チューブの内柱部とタンク本体部の仕切部との間にシール部材を設けることで、１本のチューブで流体をＵターンさせることができる。また、流体のフローパターンが全パスタイプである場合には、チューブの内柱部に対応して仕切部とシール部材を設けないことで対応できる。これにより、流体のフローパターンに関係なく、コアプレートを共通化することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。

第１実施形態に係る熱交換器の正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 チューブ単体の断面図である。 第１ヘッダタンクのタンク本体部単体の下面図である。 熱交換器から第１ヘッダタンクのタンク本体部を取り除いた状態を示す側面図である。 チューブの端部を示す模式図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図７のＩＸ−ＩＸ断面図である。 第１実施形態の熱交換器において、流体のフローパターンを異ならせた場合を示す模式図である。 比較例の熱交換器において、流体のフローパターンを異ならせた場合を示す模式図である。 第２実施形態のチューブの端部を示す模式図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。 図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図１１に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、図示しないエンジン（すなわち内燃機関）を駆動源として走行する車両に適用した場合を例として説明する。車両では、図示しない過給機によって加圧された過給気がエンジンの吸気として供給される。

本実施形態の熱交換器１は、異なる種類の流体が流通する複合熱交換器として構成されている。具体的には、本実施形態の熱交換器１は、エンジン冷却水が流通するエンジン冷却用ラジエータと、吸気冷却水が流通する吸気冷却用ラジエータとを兼ね備えている。

図１に示すように、熱交換器１は、内部流体としての冷却水が水平方向に流れるクロスフロー型の熱交換器である。図１では、紙面垂直方向が外部流体としての空気流れ方向となっている。

熱交換器１は、内部流体である冷却水と外部流体である外気とを熱交換させる熱交換部であるコア部１２を有している。コア部１２は、チューブ１０とフィン１１とが交互に複数積層された積層体となっている。本実施形態の熱交換器１では、空気流れ方向と交わる方向にチューブ１０が積層配置されている。

各チューブ１０は、その内部に冷却水が流通する流路が形成された管状部材である。本実施形態では、各チューブ１０の長手方向が水平方向に沿って延びている。各チューブ１０は、長手方向に直交する断面の長径方向がコア部１２を通過する空気の流れ方向に沿って延びるように扁平形状に構成されている。ここで、扁平形状とは、曲率半径の大きい円弧部と曲率半径の小さい円弧部とを結合した曲線形状からなる楕円形状や、円弧部と平坦部とを結合した形状からなる長円形状等を包含している。

フィン１１は、外気との伝熱面積を増大させて、外気と冷却水との熱交換を促進する部材である。本実施形態のフィン１１は、コルゲート状に成形されており、チューブ１０の両側の平坦部に接合されている。

各チューブ１０のチューブ長手方向の両端部には、チューブ積層方向に延びるとともに、内部に空間が形成されたヘッダタンク１３、１４が配置されている。ヘッダタンク１３、１４は、チューブ１０が挿入接合されるコアプレート１３０、１４０と、コアプレート１３０、１４０とともにタンク内空間を構成する、樹脂製のタンク本体部１３１、１４１とを有して構成されている。

コア部１２におけるチューブ積層方向の両端部には、コア部１２を補強するサイドプレート１５、１６が設けられている。サイドプレート１５、１６は、チューブ長手方向と平行に延びてその両端部がコアプレート１３０、１４０に接続されている。本実施形態のサイドプレート１５、１６は、アルミニウム合金等の金属で構成されている。

チューブ１０およびフィン１１は、熱伝導率や耐食性等に優れた金属（例えば、アルミニウム合金）で構成されている。チューブ１０、フィン１１、コアプレート１３０、１４０、サイドプレート１５、１６は、各部材の所定箇所に被覆されたろう材によって一体的にろう付けされている。

図２、図３に示すように、ヘッダタンク１３、１４は、チューブ１０のチューブ長手方向の端部が、コアプレート１３０、１４０のチューブ挿入穴１３０ａ、１４０ａに挿入された状態で接合されている。各チューブ１０の内部通路は、ヘッダタンク１３、１４の内部に形成される空間に連通している。図２、図３では、紙面上下方向が空気流れ方向となっている。

コアプレート１３０、１４０とタンク本体部１３１、１４１との間には、シール部材１３２、１４２が設けられている。シール部材１３２、１４２をコアプレート１３０、１４０とタンク本体部１３１、１４１との間に挟んだ状態で、タンク本体部１３１、１４１がコアプレート１３０、１４０にカシメ固定されている。

チューブ１０には、内部流路を区画するための内柱部１０ａが設けられている。図４に示すように、内柱部１０ａを備えるチューブ１０は、板状部材を折り曲げ加工することにより形成することができる。

チューブ１０の内部は、内柱部１０ａによって第１流体通路１０ｂと第２流体通路１０ｃに仕切られている。第２流体通路１０ｃが第１流体通路１０ｂよりも空気流れ方向上流側に位置している。これにより、１つのチューブ１０によって空気流れ方向に沿って２つの流体通路１０ｂ、１０ｃが形成される。

図１に示すように、本実施形態の熱交換器１では、コア部１２は、異なる種類の流体が流通する複数のコア部１２ａ、１２ｂを含んでいる。第１コア部１２ａおよび第２コア部１２ｂは、空気流れ方向に交差する方向に並んでいる。第１コア部１２ａでは、チューブ１０をエンジン冷却水が流通し、第２コア部１２ｂでは、チューブ１０を吸気冷却水が流通する。

図２に示すように、第１コア部１２ａでは、第１ヘッダタンク１３の第１流入口１３１ｃから流入したエンジン冷却水がチューブ１０の流体通路１０ｂ、１０ｃを流れ、第２ヘッダタンク１４の第１流出口１４１ｂから流出する。つまり、チューブ１０の２つの流体通路１０ｂ、１０ｃを同一方向に流体が流れる。第１コア部１２ａは、流体のフローパターンがＵターンしない全パスタイプとなっている。

一方、第２コア部１２ｂでは、第１ヘッダタンク１３のタンク本体部１３１には第２流入口１３１ｄ、第２流出口１３１ｅが接続されており、第１ヘッダタンク１３の第２流入口１３１ｄから流入した吸気冷却水がチューブ１０の第１流体通路１０ｂを流れ、第２ヘッダタンク１４でＵターンし、チューブ１０の第２流体通路１０ｂを流れ、第１ヘッダタンク１３の第２流出口１３１ｅから流出する。つまり、第２コア部１２ｂでは、チューブ１０の２つの流体通路１０ｂ、１０ｃを逆方向に流体が流れる。第２コア部１２ｂは、流体のフローパターンが空気流れ方向の前後でＵターンする前後Ｕターンタイプとなっている。

図１、図５に示すように、第１タンク本体部１３１には、第１コア部１２ａおよび第２コア部１２ｂの境界付近に対応する部位に第１仕切部１３１ａが設けられている。第１仕切部１３１ａは、第１ヘッダタンク１３のタンク内空間を空気流れ方向に対して左右方向に仕切る。

図５に示すように、第１タンク本体部１３１には、第２コア部１２ｂに対応する部位に第２仕切部１３１ｂが設けられている。第２仕切部１３１ｂは、第２コア部１２ｂに対応する第１ヘッダタンク１３のタンク内空間を空気流れ方向に対して前後方向に仕切る。これにより、第１ヘッダタンク１３のタンク内空間は３つに仕切られている。

図１に示すように、第２タンク本体部１４１には、第１コア部１２ａおよび第２コア部１２ｂの境界付近に対応する部位に仕切部１４１ａが設けられている。仕切部１４１ａは、第２ヘッダタンク１４のタンク内空間を空気流れ方向に対して左右方向に仕切る。これにより、第２ヘッダタンク１４のタンク内空間は２つに仕切られている。

図６に示すように、第１ヘッダタンク１３側のコアプレート１３０上には、第１タンク本体部１３１との間に配置されるシール部材１３２が設けられている。シール部材１３２は、図５に示した第１タンク本体部１３１の端面形状に対応して設けられている。

シール部材１３２は、第１シール部１３２ａ、第２シール部１３２ｂ、第３シール部１３２ｃを含んでいる。第１シール部１３２ａは、第１タンク本体部１３１の外周縁部に対応した形状となっている。第１シール部１３２ａは、コアプレート１３０と第１タンク本体部１３１の外周縁部との間に配置される。

第２シール部１３２ｂは、第１タンク本体部１３１の第１仕切部１３１ａに対応した形状となっている。第２シール部１３２ｂは、コアプレート１３０と第１タンク本体部１３１の第１仕切部１３２ａとの間に配置される。これにより、第１ヘッダタンク１３において、第１コア部１２ａに対応するタンク内空間と、第２コア部１２ｂに対応するタンク内空間との間がシールされる。

第３シール部１３２ｃは、第１タンク本体部１３１の第２仕切部１３１ｂに対応した形状となっている。第３シール部１３２ｃは、コアプレート１３０と第１タンク本体部１３１の第２仕切部１３２ｂとの間に配置される。第３シール部１３２ｃは、第２コア部１２ｂを構成する複数のチューブ１０の内柱部１０ａに対応する部位に配置される。これにより、第１ヘッダタンク１３の第２コア部１２ｂに対応する部位において、チューブ１０の２つの流体通路１０ｂ、１０ｃのそれぞれに対応するタンク内空間の間がシールされる。

次に、コアプレート１３０におけるチューブ１０の挿入部について図７〜図９に基づいて説明する。図８、図９では、図中右側が第１ヘッダタンク１３のタンク内空間となっている。

図７〜図９に示すように、チューブ挿入穴１３０ａの周縁部には、第１ヘッダタンク１３の内部空間に向かって突出するバーリング部１３０ｂが形成されている。バーリング部１３０ｂは、コアプレート１３０におけるチューブ挿入穴１３０ａの周縁部の剛性を高めるために設けられている。

また、チューブ１０の端部は、コアプレート１３０の板面から第１ヘッダタンク１３の内部空間に向かって突出している。図８に示すように、シール部材１３２の第３シール部１３２ｃは、コアプレート１０の板面から突出したチューブ１０の内柱部１０ａおよびバーリング部１３０ｂを覆うように設けられている。

以上説明した本実施形態の熱交換器１では、流体のフローパターンがＵターンタイプである第２コア部１２ｂに対応する部位では、チューブ１０の内柱部１０ａとタンク本体部１３１の仕切部１３１ｂとの間にシール部材１３２を設けている。また、流体のフローパターンが全パスタイプである第１コア部１２ａに対応する部位では、チューブ１０の内柱部１０ａに対応する仕切部およびシール部材１３２を設けていない。これにより、流体のフローパターンに関係なく、コアプレート１３０を共通化することができる。

異なる種類の流体が流通する複合熱交換器では、流体のフローパターンのバリエーションが増加するが、本実施形態の構成であれば、シール部材１３０を交換するだけで、流体の様々なフローパターンに対応可能となる。これについて、図１０、図１１を用いて説明する。

図１０は、本実施形態の熱交換器１において、流体のフローパターンを変更した場合を示している。図１０（ａ）は、第１コア部１２ａが全パスタイプであり、第２コア部１２ｂがＵターンタイプである。図１０（ｂ）は、第１コア部１２ａおよび第２コア部１２ｂがＵターンタイプである。図１０（ｃ）は、第１コア部１２ａおよび第２コア部１２ｂが全パスタイプである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、流体のフローパターンがＵターンタイプとなる部位では、各チューブ１０の内柱部１０ａに対応して第３シール部１３２ｃが設けられている。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、本実施形態の構成によれば、流体のフローパターンに応じてシール部材１３０を変更するだけで、複合熱交換器においても流体の様々なフローパターンに対応可能となる。

図１１は、比較例の熱交換器において、流体のフローパターンを変更した場合を示している。比較例の熱交換器では、全パスタイプでは１列のチューブ１００が積層配置され、Ｕターンタイプでは２列のチューブ１０１が積層配置されている。

図１１（ａ）は、第１コア部１２０ａが全パスタイプであり、第２コア部１２０ｂがＵターンタイプである。図１１（ｂ）は、第１コア部１２０ａおよび第２コア部１２０ｂがＵターンタイプである。図１１（ｃ）は、第１コア部１２０ａおよび第２コア部１２０ｂが全パスタイプである。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、比較例の熱交換器では、流体のフローパターンが異なるとコアプレート１３００、１３０１、１３０２を共通化することができず、流体のフローパターン毎に専用のコアプレート１３００、１３０１、１３０２を用意する必要がある。

また、本実施形態の構成によれば、流体のフローパターンがＵターンタイプである場合においても、空気流れの上流側と下流側に２列のチューブを積層配置する必要がない。このため、流体のフローパターンに関係なく、コアプレート１３０のチューブ挿入穴１３０ａに１列の積層配置されたチューブ１０を挿入するだけでよく、熱交換器１の生産性を向上させることができる。

また、本実施形態の構成によれば、内柱部１０ａを有するチューブ１０を用いて流体をＵターンさせることで、空気流れ方向の上流側と下流側に２列のチューブを積層配置する構成に比較して、チューブ１０の断面積を大きくすることができる。これにより、チューブ１０を流体が通過する際の抵抗が低下し、流体の流量を増大させることができるため、熱交換器１の性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本第２実施形態のコアプレート１３０におけるチューブ１０の挿入部について図１２〜図１４に基づいて説明する。図１３、図１４では、図中右側が第１ヘッダタンク１３のタンク内空間となっている。

図１２〜図１４に示すように、本第２実施形態では、チューブ挿入穴１３０ａの周縁部に形成されたバーリング部１３０ｂは、第１ヘッダタンク１３の内部空間の反対側に向かって突出している。チューブ１０の端部は、コアプレート１３０の板面から突出することなく、コアプレート１３０の板面と同一平面上に位置している。図１３に示すように、シール部材１３２の第３シール部１３２ｃは、コアプレート１０の板面に位置するチューブ１０の内柱部１０ａを覆うように設けられている。

本第２実施形態の構成によれば、コアプレート１３０における第１ヘッダタンク１３のタンク内空間側に位置する面において、チューブ１０が挿入された部位が平坦になる。このため、第３シール部１３２ｃの配置が容易になり、第３シール部１３２ｃによるシール性を向上させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

（１）上記各実施形態では、本発明の熱交換器に流通する流体をエンジン冷却水および吸気冷却水とした例について説明したが、これら以外の流体が熱交換器を流通するようにしてもよい。例えば、電動モータやインバータ回路等を冷却する電気系冷却水が熱交換器を流通するようにしてもよい。

（２）上記各実施形態では、本発明の熱交換器を異なる種類の流体が流通する複数の熱交換部を有する複合熱交換器に適用した例について説明したが、これに限らず、本発明の熱交換器を１種類の流体が流通する熱交換器に適用してもよい。

（３）上記各実施形態では、シール部材１３２において、第１シール部１３２ａ、第２シール部１３２ｂおよび第３シール部１３２ｃが一体的に構成されている例について説明したが、第１シール部１３２ａ、第２シール部１３２ｂおよび第３シール部１３２ｃは、それぞれ別体としてもよい。

（４）上記実施形態では、予め成形されたシール部材１３２を用いた例について説明したが、これに限らず、液状のシール部材を用いてもよい。液状のシール部材は、流動性を有する状態で塗布され、その後硬化してシール機能を発揮する。

（５）上記実施形態では、シール部材１３０をタンク本体部１３１に対して別体で構成した例について説明したが、シール部材１３０の構成はこれに限定されない。例えば、シール部材１３０をタンク本体部１３１に接着剤等で接合するか、もしくはシール部材１３０とタンク本体部１３１を一体成形すること等によって、シール部材１３０をタンク本体部１３１に一体化してもよい。

１ 熱交換器
１０ チューブ
１０ａ 内柱部
１０ｂ 第１流体通路
１０ｃ 第２流体通路
１２ コア部
１２ａ 第１コア部
１２ｂ 第２コア部
１３ 第１ヘッダタンク
１３０ コアプレート
１３０ａ チューブ挿入穴
１３０ｂ バーリング部
１３１ タンク本体部
１３１ａ 第１仕切部
１３１ｂ 第２仕切部
１３２ シール部材

Claims (3)

1. 流体が流通する流体通路（１０ｂ、１０ｃ）を内部に有するチューブ（１０）と、
   前記チューブの長手方向端部側に設けられ、前記チューブと連通するヘッダタンク（１３）とを備え、
   前記ヘッダタンクは、前記チューブが接合されるコアプレート（１３０）と、前記コアプレートとともにタンク内空間を構成するタンク本体部（１３１）とを有しており、
   前記チューブは、前記流体通路を区画する内柱部（１０ａ）を有しており、
   前記ヘッダタンクは、前記内柱部に対応する位置に、前記タンク内空間を区画する仕切部（１３１ｂ）を有しており、
   前記チューブの長手方向端部において、前記内柱部と前記仕切部との間にシール部材（１３２）が配置されており、
   前記チューブの前記内柱部で仕切られた各流体流路には、異なる方向に流体が流れる熱交換器。
2. 前記チューブには、異なる種類の流体が流通する複数種類のチューブが含まれており、
   前記仕切部は、前記複数種類のチューブの少なくともいずれかの種類のチューブの前記内柱部に対応して設けられており、
   前記複数種類のチューブの少なくとも１種類のチューブの前記内柱部と、前記仕切部との間に、前記シール部材が配置されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コアプレートには、前記チューブが挿入されるチューブ挿入穴（１３０ａ）が設けられており、前記チューブ挿入穴の縁部には、前記タンク内空間の反対側に向けて突出するバーリング部（１３０ｂ）が設けられている請求項１または２に記載の熱交換器。

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