JP2019184166A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブの内圧上昇に起因するフィンの座屈の発生を抑制できる熱交換器を提供する。
【解決手段】内部に冷却水が流れる複数本積層されたチューブ１と、チューブ１に接合されてチューブ１周りを流れる空気との熱交換面積を増大させる波形状のフィン２と、を備え、フィン２は、空気流れ方向に沿って設けられた複数の平面部２１と、隣り合う平面部２１を所定距離離して位置づける頂部２２と、を有しており、頂部２２は、チューブ１にろう付けにより接合されており、頂部２２には、当該頂部２２が接合されたチューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂと反対側に向けて凹んだ凹部２３が設けられており、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂと凹部２３とにより形成された隙間２４には、ろう材６０が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

複数のチューブおよび複数のフィンを交互に積層して構成された熱交換部を有する熱交換器が、特許文献１に開示されている。この特許文献１の熱交換器では、フィンとして、波形状のコルゲートフィンが用いられている。

この特許文献１に記載のような熱交換器では、チューブやフィン等の構成部品を薄板化することにより、熱交換性能の向上や軽量化を図っている。従来、構成部品の薄板化による強度低下を補うために、構成部品の材質の強度向上が図られている。構成部品の材質の強度を向上することにより、引張強度および疲労破壊強度を向上させることができる。

特開２０００−１９３３８８号公報

ところで、チューブの内圧が上昇した場合、チューブが膨らむように変形し、チューブの外表面に接合されているフィンには圧縮荷重がかかる。これにより、フィンが座屈変形するおそれがある。この圧縮力に対する耐座屈荷重は、フィンの材質の強度よりも形状に対する依存度が大きい。このため、構成部品の材質の強度を向上したとしても、チューブの内圧上昇に起因する圧縮力により、フィンの座屈が発生する可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、チューブの内圧上昇に起因するフィンの座屈の発生を抑制できる熱交換器を提供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、
内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１）と、
チューブに接合されてチューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させる波形状のフィン（２）と、を備え、
フィンは、第２流体の流れ方向に沿って設けられた複数の平面部（２１）と、隣り合う平面部を所定距離離して位置づける頂部（２２）と、を有しており、
頂部は、チューブにろう付けにより接合されており、
頂部には、当該頂部が接合されたチューブの表面（１０ａ、１０ｂ）と反対側に向けて凹んだ凹部（２３）が設けられており、
チューブの表面と凹部とにより形成された隙間（２４）には、ろう材（６０）が設けられている。

これによれば、チューブ（１）の表面（１０ａ、１０ｂ）とフィン（２）の凹部（２３）とにより形成された隙間（２４）に設けられたろう材（６０）により、チューブ（１）の内圧が上昇した場合にチューブ（１）が膨らむように変形することを抑制できる。その結果、フィン（２）に圧縮荷重がかかることを抑制できるため、チューブ（１）の内圧上昇に起因するフィン（２）の座屈の発生を抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。

一実施形態に係るラジエータを示す正面図である。 一実施形態におけるフィンを示す拡大断面図である。 一実施形態におけるチューブおよびフィンを示す拡大断面図である。 図３のＩＶ部拡大図である。 他の実施形態（１）におけるフィンを示す模式的な拡大正面図である。 他の実施形態（１）におけるフィンを示す模式的な拡大正面図である。 他の実施形態（１）におけるフィンを示す模式的な拡大正面図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る熱交換器を、内燃機関の冷却水と空気との間で熱交換を行い冷却水を冷却するラジエータ１００に適用した場合を例として説明する。

図１に示すように、ラジエータ１００は、第１流体としての冷却水が上下方向に流れるダウンフロー型の熱交換器である。ラジエータ１００は、冷却水が流れる冷却水流路１ａ（図３参照）を形成するチューブ１を備えている。すなわち、チューブ１の内部に冷却水流路１ａが形成されている。

チューブ１は、その長手方向が上下方向（すなわち鉛直方向）に一致するように、水平方向に複数本平行に積層配置されている。チューブ１における長手方向に垂直な断面の形状は、扁平な長円形状（すなわち扁平形状）である。

チューブ１は、チューブ１の外部を流れる第２流体としての空気の流れ方向が、当該扁平形状における長径方向と一致するように配置されている。以下、チューブ１の長手方向をチューブ長手方向といい、空気の流れ方向を空気流れ方向という。

また、チューブ１は、チューブ１内の冷却水流路１ａを挟んで対向する二つの扁平面１０ａ、１０ｂを有している。チューブ１の両側の扁平面１０ａ、１０ｂには、伝熱部材としての波形状のフィン２がそれぞれ接合されている。フィン２により、チューブ１周りを流れる空気との熱交換面積（すなわち伝熱面積）が増大されて冷却水と空気との熱交換が促進される。このフィン２の詳細な構成については後述する。

以下、チューブ１およびフィン２が交互に積層された略矩形状の熱交換部を、コア部３という。また、チューブ１およびフィン２の積層方向を、チューブ積層方向という。

ヘッダタンク４は、複数のチューブ１と連通している。ヘッダタンク４は、複数のチューブ１に対して冷却水の集合または分配を行う。ヘッダタンク４は、チューブ長手方向の両端部（本実施形態では、上下端部）に一つずつ設けられている。ヘッダタンク４は、チューブ長手方向と直交する方向（本実施形態では、水平方向）に延びている。

ヘッダタンク４は、チューブ１が挿入接合されたコアプレート４ａと、コアプレート４ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体部４ｂとを有している。また、コア部３におけるチューブ積層方向の両端部には、チューブ長手方向と略平行に延びてコア部３を補強するインサート５が設けられている。

ここで、二つのヘッダタンク４のうち、上方側に配置されるとともにチューブ１に対して冷却水の分配を行うものを、入口側タンク４１という。また、二つのヘッダタンク４のうち、下方側に配置されるとともに、チューブ１から流出する冷却水の集合を行うものを、出口側タンク４２という。

入口側タンク４１のタンク本体部４ｂには、冷却水を入口側タンク４１内に流入させる入口パイプ４ｃが設けられている。出口側タンク４２のタンク本体部４ｂには、空気との熱交換により冷却された冷却水を外部に流出させる出口パイプ４ｄが設けられている。

次に、本実施形態のフィン２について、図２〜図４に基づいて詳細に説明する。なお、図２中の破線部は、後述する凹部２３を形成する前の頂部２２の状態を示している。

図２に示すように、フィン２は、板状部材を波形状に曲げて成形したコルゲートフィンである。フィン２は、複数の平面部２１、および隣り合う平面部２１を所定距離離して位置づける頂部２２を有している。すなわち、フィン２は、壁部を構成する平面部２１と屈曲部を構成する頂部２２とが連続する波形状に形成されている。換言すると、フィン２は、空気流れ方向に交差する方向において、頂部２２が一方側と他方側に交互に位置して曲折する波形状となっている。

本実施形態では、図２中の破線部に示すように、頂部２２における空気流れ方向に垂直な断面の形状は、円弧状である。また、空気流れ方向に垂直な断面において、隣り合う平面部２１は、互いに非平行に配置されている。

図２および図３に示すように、頂部２２には、当該頂部２２が接合されたチューブ１の表面（すなわち、扁平面１０ａ、１０ｂ）と反対側に向けて凹んだ凹部２３が設けられている。換言すると、頂部２２には、フィン２におけるチューブ積層方向の中央部側に向けて凹んだ凹部２３が設けられている。

本実施形態では、凹部２３は、各頂部２２におけるチューブ長手方向の中央部にそれぞれ配置されている。凹部２３における空気流れ方向に垂直な断面の形状は、フィン２におけるチューブ積層方向の中央部側に向かって膨らむように湾曲した形状である。

このように、頂部２２に凹部２３を形成することにより、各頂部２２は２つの山部２２ａに分割されている。そして、この山部２２ａが、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂにろう付けにより接合されている。山部２２ａにおける空気流れ方向に垂直な断面の形状は、当該山部２２ａが接合されたチューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂ側に向かって膨らむように湾曲した形状である。

図３および図４に示すように、頂部２２は、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂに対してろう付けにより接合されている。このとき、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂと凹部２３とにより形成された隙間２４には、ろう材６０が設けられている。すなわち、当該隙間２４には、ろう材６０が充填されている。以下、図４中の破線で示すように、空気流れ方向に垂直な断面における当該隙間２４の内接円の半径を、Ｒ１とする。

フィン２とチューブ１との接合部には、ろう材のフィレット６１が形成されている。フィレット６１は、フィン２の頂部２２とチューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂとの接合部、フィン２の平面部２１における凹部２３と反対側の面、および、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂに接続されている。

空気流れ方向に垂直な断面において、フィレット６１の表面は、フィン２とチューブ１との接合部７０側に向かって膨らむように湾曲した湾曲形状を有している。以下、フィレット６１の表面の湾曲形状における曲率半径を、Ｒ２とする。より詳細には、フィレット６１の表面の湾曲形状における中央部の曲率半径を、Ｒ２とする。

本実施形態では、空気流れ方向に垂直な断面において、フィレット６１の表面は、フィン２とチューブ１との接合部７０側に向かって膨らんだ円弧形状に形成されている。この場合、フィレット６１の表面の円弧形状における半径を、Ｒ２とする。

凹部２３は、Ｒ１≦Ｒ２の関係を満たすように構成されている。すなわち、凹部２３は、空気流れ方向に垂直な断面における隙間２４の内接円の半径Ｒ１が、フィレット６１の表面の湾曲形状における曲率半径Ｒ２以下となるように構成されている。これによれば、隙間２４の全域に確実にろう材６０を配置することができる。

ここで、本実施形態のラジエータ１００の製造方法について説明する。

はじめに、ラジエータ１００の各種構成部品、すなわちチューブ１、フィン２およびヘッダタンク４等を製造する。具体的には、フィン２を、薄板状の金属材料にローラ成形法を施すことにより成形する。このローラ成形工程において、フィン２が波形状に形成されると同時に、波形状の頂部２２に凹部２３が形成される。また、ラジエータ１００の各種構成部品を製造する工程では、チューブ１およびフィン２の少なくとも一方の外表面に、ろう材層が設けられる。

続いて、上述のように製造されたラジエータ１００の各種構成部品を仮固定する。具体的には、チューブ１およびフィン２を複数交互に積層した積層体に、ヘッダタンク４を仮固定するコア組工程を行う。これにより、ラジエータ１００の各種構成部品が仮固定された仮組み付け体が完成する。

続いて、この仮組み付け体を加熱炉内で加熱してろう付けするろう付け工程を行う。これにより、ラジエータ１００の各種構成部品がろう付けにより接合され、ラジエータ１００が完成する。

このろう付け工程においては、チューブ１およびフィン２の少なくとも一方の外表面に設けられたろう材層のろう材が溶融し、毛細管現象によって、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂとフィン２の頂部２２との間から隙間２４に侵入する。これにより、隙間２４にろう材６０が充填される。

以上説明したように、本実施形態では、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂとフィン２の凹部２３とにより形成された隙間２４に、ろう材６０を設けている。これによれば、当該ろう材６０により、チューブ１の内圧が上昇した場合にチューブ１が膨らむように変形することを抑制できる。その結果、フィン２に圧縮荷重がかかることを抑制できるため、チューブ１の内圧上昇に起因するフィン２の座屈の発生を抑制できる。

このとき、フィン２の凹部２３は、フィン２のローラ成形工程において同時に形成されるため、凹部２３を設けるための追加工程は必要としない。このため、生産性の悪化を防止できる。また、フィン２の構成材料として、特殊な高強度の材料を用いる必要がないため、製造コストの悪化を防止できる。

ところで、フィン２の座屈の発生を抑制するために、フィン２に突起や切り起こしを設ける手法が考えられる。しかしながら、当該手法では、突起や切り起こし部分の反力が大きくなるため、コア組工程において、チューブ１およびフィン２にかかる圧縮力が大きくなる。その結果、チューブ１およびフィン２が変形するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、フィン２に凹部２３を設ければよく、突起や切り起こしを設ける必要がないため、コア組工程において、チューブ１およびフィン２にかかる圧縮力を小さくすることができる。これにより、コア組工程において、チューブ１およびフィン２が変形することを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、フィン２の空気流れ方向に垂直な断面において、頂部２２を円弧状にするとともに、隣り合う平面部２１を互いに非平行に配置した例について説明したが、フィン２の構成はこれに限定されない。

例えば、図５に示すように、フィン２の空気流れ方向に垂直な断面において、頂部２２を直線状にしてもよい。また、図６に示すように、フィン２の空気流れ方向に垂直な断面において、隣り合う平面部２１を互いに平行に配置してもよい。また、図７に示すように、フィン２の空気流れ方向に垂直な断面において、頂部２２を直線状にするとともに、隣り合う平面部２１を互いに平行に配置してもよい。なお、図５〜図７中の破線部は、凹部２３を形成する前の頂部２２の状態を示している。

（２）上記実施形態では、フィン２の各頂部２２に凹部２３を１つずつ設けた例について説明したが、凹部２３の構成はこれに限定されない。例えば、フィン２の各頂部２２に凹部２３を２つ以上設けてもよい。

（３）上記実施形態では、本発明の熱交換器をラジエータ１００に適用して説明したが、これに限定されるものではなく、熱交換器であれば種々の態様に適用することができる。例えば、熱交換器として、車両用空調装置のヒータコアに対しても本発明を適用することができる。

１ チューブ
２ フィン
２１ 平面部
２２ 頂部
２３ 凹部
２４ 隙間
６０ ろう材

Claims (2)

1. 内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１）と、
   前記チューブに接合されて前記チューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させる波形状のフィン（２）と、を備え、
   前記フィンは、前記第２流体の流れ方向に沿って設けられた複数の平面部（２１）と、隣り合う前記平面部を所定距離離して位置づける頂部（２２）と、を有しており、
   前記頂部は、前記チューブにろう付けにより接合されており、
   前記頂部には、当該頂部が接合された前記チューブの表面（１０ａ、１０ｂ）と反対側に向けて凹んだ凹部（２３）が設けられており、
   前記チューブの前記表面と前記凹部とにより形成された隙間（２４）には、ろう材（６０）が設けられている熱交換器。
2. 前記フィンと前記チューブとの接合部（７０）には、ろう材のフィレット（６１）が形成されており、
   前記第２流体の流れ方向に垂直な断面において、前記フィレットの表面は、前記接合部側に向かって膨らむように湾曲した湾曲形状を有しており、
   前記第２流体の流れ方向に垂直な断面における前記隙間の内接円の半径をＲ１とし、前記フィレットの表面の湾曲形状における曲率半径をＲ２としたとき、
   前記凹部は、Ｒ１≦Ｒ２の関係を満たすように構成されている請求項１に記載の熱交換器。

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