JP2020003089A - 熱交換チューブ及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ロウ付け性を確保することと、素材の材料幅を大きくすることなく熱交換チューブの熱交換性能を向上させることとを両立する。【解決手段】熱交換器１に用いられ、外面にロウ材被覆部が形成される熱交換チューブ４であって、ベース部４ａと、ベース部４ａの端部４ｂ、４ｃからベース部４ａの中央部側に向けてそれぞれ折り曲げられ、ベース部４ａと所定の間隔をもって対向する第１折曲部４ｄおよび第２折曲部４ｅと、第１折曲部４ｄおよび第２折曲部４ｅの中央部側の端部からベース部４ａに向けてそれぞれ折り曲げられる第１仕切部４ｆおよび第２仕切部４ｇと、第１折曲部４ｄまたは第２折曲部４ｅの少なくともいずれか一方の一部がベース部４ａに向けて折り曲げられて内面がベース部４ａの内面に当接する当接部４ｔと、熱交換チューブ４の長手方向に沿って、当接部４ｔに形成されるスリット４ｓと、を有する。【選択図】図８

Description

本発明は、熱交換チューブ及び熱交換器に関する。

特許文献１には、素材の端部を折り曲げて形成された仕切部を有し、連続して同じ方向に素材を折り曲げて重なり合う面を形成することでロウ付け性を確保する熱交換チューブが開示されている。

特開２００８−１１４２５５号公報

しかしながら、上記の熱交換チューブでは、ロウ付け性を確保するために、連続して同じ方向に熱交換チューブを折り曲げて重なり合う面を形成しているので、素材が重なり合う分だけ熱伝導性が悪くなり熱交換性能が低下するとともに、素材の材料幅が大きくなりコストおよび重量の増加が問題となる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ロウ付け性を確保することと、素材の材料幅を大きくすることなく熱交換チューブの熱交換性能を向上させることとを両立することを目的とする。

本発明のある態様によれば、熱交換器に用いられ、外面にロウ材被覆部が形成される熱交換チューブであって、平板状のベース部と、前記ベース部の端部から前記ベース部の中央部側に向けてそれぞれ折り曲げられ、前記ベース部と所定の間隔をもって対向する第１折曲部および第２折曲部と、前記第１折曲部および前記第２折曲部の前記中央部側の端部から前記ベース部に向けてそれぞれ折り曲げられる第１仕切部および第２仕切部と、前記第１折曲部または前記第２折曲部の少なくともいずれか一方の一部が前記ベース部に向けて折り曲げられて内面が前記ベース部の内面に当接する当接部と、前記熱交換チューブの長手方向に沿って、前記当接部に形成されるスリットと、を有する、ことを特徴とする熱交換チューブが提供される。

上記態様によれば、当接部において、外面のロウ材被覆部からのロウ材がスリットを介して内面に流れてくるので、ロウ付け性が確保できるとともに、材料幅を大きくすることなく熱交換チューブの熱交換性能を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の概略正面図である。 図２は、熱交換チューブの斜視図である。 図３は、図１のＩＩＩ部の断面を示す図である。 図４は、熱交換チューブの平面図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。 図６は、熱交換チューブになる前の平板上の素材の斜視図である。 図７は、スリットの間隔と曲げ加工時発生応力との関係を示すグラフである。 図８は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図９は、図８のＩＸ部の拡大図である。 図１０は、図４のＶ−Ｖ断面に相当する変形例の熱交換チューブの断面図である。 図１１は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面に相当する変形例の熱交換チューブの断面図である。 図１２は、図１１のＸＩＩ部の拡大図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器１の概略正面図である。

図１に示すように、熱交換器１は、中央に設けられるコア２と、コア２の両端に設けられる２つのタンク５と、を備える。熱交換器１は、車両に搭載されるラジエータ、ヒータコア、コンデンサ、オイルクーラ、インタクーラ等として使用される。また、車両以外に適用される熱交換器として使用することもできる。

コア２は、流体が流通する複数の熱交換チューブ（以下、チューブという。）４と、チューブ４と交互に並ぶように積層される複数のフィン３と、フィン３よりも積層方向外側に設けられる２つのレインフォース２０（補強材）と、各チューブ４及び各レインフォース２０がそれぞれ結合される２つのプレート１０と、を備える。コア２を構成するこれらの部材は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属によって形成される。コア２は、これらの各部材が互いに接合されて一体化したものである。

チューブ４は、図２に示すように、扁平な筒状の流路部材である。図２は、チューブ４の斜視図である。チューブ４では、その内部を流通する流体と、その外部を流通する流体と、が熱交換する。チューブ４は、例えば芯材がアルミニウムやアルミニウム合金といった金属平板状の素材から形成される。チューブ４の詳細については後述する。

フィン３は、コルゲート状の伝熱部材である。コア２は、フィン３を備えることで伝熱面積が確保される。

図３は、図１のＩＩＩ部の断面を示す図である。

図３に示すように、タンク５は、金属製のプレート１０と、樹脂製のタンク本体６と、を備える。タンク本体６とプレート１０との間には、各チューブ４に流体を導く流路９が形成される。タンク本体６には、流路９に流体を導く配管（図示せず）が接続される。

タンク本体６は、チューブ４に接続される側が開口した箱状に形成される。タンク本体６の開口端部には、枠状のフランジ部６ａが形成される。

プレート１０は、タンク５の底部を形成してチューブ４が接続される底板部１５と、タンク本体６が結合される膨出枠部１４と、を有する。

底板部１５には、複数の孔１１がチューブ４の積層方向に並んで開口する。チューブ４は、長手方向の先端が孔１１に挿入されることで、底板部１５に接続される。

膨出枠部１４には、底板部１５の周囲に延在する溝１２と、溝１２の周囲に間隔を持って突出する複数のかしめ爪１３と、が形成される。

溝１２には、環状のシールパッキン８と、タンク本体６のフランジ部６ａとが収容される。シールパッキン８は、ゴム材などの弾性材によって形成される。シールパッキン８は、膨出枠部１４とフランジ部６ａとの間に挟持され、両者の間を密封する。

タンク５の組み立て時に、かしめ爪１３が折り曲げられることで、かしめ爪１３がフランジ部６ａに押し付けられる。これにより、プレート１０とタンク本体６とは、互いに結合される。

一方、コア２では、２つのレインフォース２０が２つのプレート１０の間に架けわたされる。２つのレインフォース２０は、互いに略平行に延在するように配置され、両者の間に積層されたチューブ４及びフィン３を挟持する。

続いて、図４から図１０を参照しながら、チューブ４の構成について説明する。

チューブ４には、図４に示すように、チューブ４の長手方向に沿って長さＤ１のスリット４ｓが複数形成されている。図４は、チューブ４の平面図である。複数のスリット４ｓは、所定の間隔Ｄ２をもってチューブ４の長手方向に沿って一列に配列される。

図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。

図５に示すように、チューブ４は、平板状のベース部４ａと、第１折曲部４ｄと、第２折曲部４ｅと、第１仕切部４ｆと、第２仕切部４ｇと、当接部４ｔと、を有する。

第１折曲部４ｄは、コア２の厚さ方向（図３参照）におけるベース部４ａの端部４ｂからベース部４ａの中央部側に向けて折り曲げられることで形成され、ベース部４ａと所定の間隔を持って対向する。同様に、第２折曲部４ｅは、コア２の厚さ方向（図３参照）におけるベース部４ａの端部４ｃからベース部４ａの中央部側に向けて折り曲げられることで形成され、ベース部４ａと所定の間隔を持って対向する。

第１仕切部４ｆは、第１折曲部４ｄにおけるベース部４ａの中央部側の端部からベース部４ａに向けて折り曲げられることで形成される。同様に、第２仕切部４ｇは、第２折曲部４ｅにおけるベース部４ａの中央部側の端部からベース部４ａに向けて折り曲げられることで形成される。第１仕切部４ｆと第２仕切部４ｇとは、互いに当接する位置に設けられ、第１折曲部４ｄ及び第２折曲部４ｅとベース部４ａの間で、チューブ４が潰れることを防止する補強部材として機能する。

当接部４ｔは、第２折曲部４ｅの一部がベース部４ａに向けて折り曲げられ、外面同士が互いに当接することで略Ｕ字状に形成される。また、当接部４ｔは、チューブ４の長手方向に沿って形成され、当接部４ｔの内面は、ベース部４ａの内面に当接する。なお、当接部４ｔは、第２折曲部４ｅに限らず、第１折曲部４ｄの一部がベース部４ａに向けて折り曲げられることで形成されてもよい。

上述したように、チューブ４は、底板部１５に設けられた孔１１に先端が挿入されることで、底板部１５に接続される。

チューブ４の孔１１への挿入は、チューブ４の外形を治具で規制した状態、すなわち、治具によってチューブ４が外側から押圧された状態で行われる。

これに対して、当接部４ｔは、第１仕切部４ｆおよび第２仕切部４ｇとともに、第１折曲部４ｄ及び第２折曲部４ｅとベース部４ａの間で、チューブ４が潰れることを防止する補強部材として機能する。

また、チューブ４の素材には、チューブ４の外面を形成する一方の面に、ロウ材が予め被覆されたロウ材被覆部が設けられている。レインフォース２０の素材におけるフィン３側の面にも、ロウ材被覆部が予め設けられている。

このため、コア２の組立体を加熱炉に搬入して加熱処理を行うことで、コア２は、チューブ４、フィン３、プレート１０、及びレインフォース２０が、ロウ材被覆部から溶融するロウ材を介して接合されるとともに、チューブ４の第１仕切部４ｆと第２仕切部４ｇとが互いに接合される。

このように、チューブ４は、第１仕切部４ｆと第２仕切部４ｇとが接合されることで、流体が流通する流路が内側に形成される。そのため、チューブ４が潰れるだけでなく、膨らむことも防止することができる。

また、チューブ４の素材には、チューブ４の内面を形成する他方の面に、チューブ４の芯材よりもイオン化傾向が大きい材料が予め被覆された犠牲被覆部が設けられてもよい。チューブ４の芯材に先んじて犠牲被覆部が腐食されることになるので、チューブ４の耐食性を向上させることができる。

図６は、チューブ４になる前の平板状の素材の斜視図である。

図６に示すように、チューブ４になる前の平板状の素材には、当接部４ｔとなる位置に予め所定の間隔Ｄ２をもって、長さＤ１のスリット４ｓが等ピッチで複数形成される。スリット４ｓの長さＤ１は、例えば間隔Ｄ２と同じ長さに設定される（Ｄ１：Ｄ２＝１：１）。なお、スリット４ｓの長さＤ１は、間隔Ｄ２と異なる長さに設定されてもよい。

間隔Ｄ２で隣り合うスリット４ｓの間は平板上の素材の一部であり、当該素材の一部は素材がスリット４ｓを境目にして分断されることを抑制する接続部４ｚとして機能する。

スリット４ｓの間隔Ｄ２（接続部４ｚの長さ）は、５ｍｍ以上、かつ３０ｍｍ以下となるように設定される（５ｍｍ≦間隔Ｄ２≦３０ｍｍ）。間隔Ｄ２が短くなるほど、図７に示すように、曲げ加工時に発生する応力（曲げ加工時応力）が増加する。

図７は、スリット４ｓの間隔Ｄ２と曲げ加工時発生応力との関係を示すグラフである。図７に示すように、間隔Ｄ２が短くなると（５ｍｍ未満）、曲げ加工時応力は、曲げ加工時に素材が破断され得る破断領域範囲に到達する。したがって、間隔Ｄ２の下限は、５ｍｍ以上に設定される。

他方で、間隔Ｄ２が長くなると（３０ｍｍを超える）、接続部４ｚの中央部がスリット４ｓから離れ易くなる。そのため、スリット４ｓを介して外面から流れ込むロウ材が接続部４ｚの中央部まで流れ込みにくくなり、ロウ付け性の確保が難しくなる。そして、ロウ付け性が確保できなくなると、当接部４ｔとベース部４ａとの接合を保ち難くなるので、チューブ４に内圧が加わったときの耐圧性が低下する。したがって、間隔Ｄ２の上限は、３０ｍｍ以下に設定される。

そして、図８や図９に示すように、平板上の素材が折り曲げられチューブ４が形成される。図８は図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図であり、図９は図８のＩＸ部の拡大図である。

スリット４ｓがある部分における当接部４ｔは、図８や図９に示すように、スリット４ｓがベース部４ａ付近に位置するように折り曲げられ形成される。なお、スリット４ｓがある部分における当接部４ｔにおいても、当接部４ｔの内面をベース部４ａの内面に当接させ、後述する加熱処理によって当接部４ｔとベース部４ａとがロウ付けされることによって、内圧が高くなったときにチューブ４が膨らむことを、ベース部４ａにロウ付けされた当接部４ｔによって防止できるので、耐圧性の向上を図ることができる。

なお、スリット４ｓがある部分における当接部４ｔをベース部４ａに当接させずに、スリット４ｓがない部分における当接部４ｔのみをベース部４ａに当接させてもよい。このような態様によれば、高い位置決め精度が必要なくなるので、生産性を向上させることができる。

そして、コア２の組立体を加熱処理すると、スリット４ｓがある部分における当接部４ｔでは、外面のロウ材被覆部から溶融するロウ材が、スリット４ｓを介して内面へ流れる。そのため、当接部４ｔの内面は、ベース部４ａの内面に当接した状態でロウ材によって接合される。また、スリット４ｓがない部分における当接部４ｔの内面とベース部４ａの内面との間にも、毛細管現象によってロウ材が流れ込むことができる。

したがって、当接部４ｔの内面とベース部４ａとの内面との間で、ロウ付け性が確保できる。また、このように当接部４ｔの一部にスリット４ｓが形成されることで、連続して同じ方向にチューブ４を折り曲げてベース部４ａや第１折曲部４ｄ、第２折曲部４ｅと重なる面を形成する必要がなくなるので、熱伝導性が良くなり熱交換性能が向上するとともに、素材の材料幅を小さくできコストおよび重量の増加を抑制することができる。

なお、当接部４ｔは、第１仕切部４ｆ及び第２仕切部４ｇと端部４ｂ、４ｃとの距離に応じて適宜設けることができる。例えば、当接部４ｔは、第１折曲部４ｄと第２折曲部４ｅとにそれぞれ形成されてもよい。

また、当接部４ｔは、図１０に示すように、内面同士が互いに当接するように折り返してもよい。

図１０は、図４のＶ−Ｖ断面に相当する変形例の熱交換チューブ（チューブ４）の断面図である。

変形例のチューブ４では、当接部４ｔの内面がベース部４ａの内面に当接するとともに、当該当接部４ｔの内面同士が互いに当接するように略Ｊ字状に折り畳まれている。当接部４ｔが２回折り返されることで当接部４ｔの剛性が高まるので、チューブ４の耐圧性を向上させることができる。また、当接部４ｔが２回折り返されることによる厚み分だけ、ベース部４ａの内面に当接する面積を増やせるので、流れ込むロウ材の接着面積を確保することができ、ロウ付け性を向上させることができる。そのため、上記のように内圧が高くなったときにチューブ４が膨らむことを、広範囲でベース部４ａにロウ付けされた当接部４ｔによって防止できるので、より耐圧性を向上させることができる。

図１１は図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面に相当する変形例のチューブ４の断面図であり、図１２は図１１のＸＩＩ部の拡大図である。

スリット４ｓがある部分における変形例の当接部４ｔは、図１１や図１２に示すように、スリット４ｓがベース部４ａ付近に位置するように折り曲げられ形成される。また、スリット４ｓは、当接部４ｔとベース部４ａとによって囲われることで、チューブ４内の流路とは独立して形成される。

そして、コア２の組立体が加熱処理されることで、当接部４ｔの外面のロウ材被覆部から溶融するロウ材がスリット４ｓを介して内面へと流れ、当接部４ｔの内面とベース部４ａの内面とがロウ材によって接合される。また、スリット４ｓがない部分における当接部４ｔの内面とベース部４ａの内面との間にも、上述したように毛細管現象によってロウ材が流れ込むことができる。したがって、このような変形例のチューブ４によれば、当接部４ｔの内面同士が互いに当接するように折り返されることによって、より耐圧性とロウ付け性を向上させることができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

熱交換チューブ（チューブ４）は、熱交換器１に用いられ、外面にロウ材被覆部が形成される熱交換チューブであって、平板状のベース部４ａと、ベース部４ａの端部４ｂ、４ｃからベース部４ａの中央部側に向けてそれぞれ折り曲げられ、ベース部４ａと所定の間隔をもって対向する第１折曲部４ｄおよび第２折曲部４ｅと、第１折曲部４ｄおよび第２折曲部４ｅの中央部側の端部からベース部４ａに向けてそれぞれ折り曲げられる第１仕切部４ｆおよび第２仕切部４ｇと、第１折曲部４ｄまたは第２折曲部４ｅの少なくともいずれか一方の一部がベース部４ａに向けて折り曲げられて内面がベース部４ａの内面に当接する当接部４ｔと、チューブ４の長手方向に沿って、当接部４ｔに形成されるスリット４ｓと、を有する。

このようなチューブ４によれば、当接部４ｔにおいて、外面のロウ材被覆部からロウ材がスリット４ｓを介して内面に流れてくるので、ロウ付け性を確保できるとともに、材料幅を大きくすることなくチューブ４の熱交換性能を向上させることができる。

また、チューブ４の当接部４ｔは、外面同士が互いに当接する。このようなチューブ４によれば、当接部４ｔにおいて、同様に、外面のロウ材被覆部からロウ材がスリット４ｓを介して内面に流れてくるので、ロウ付け性の確保と、材料幅を大きくすることなくチューブ４の熱交換性能の向上の両立を図ることができる。また、連続して同じ方向にチューブ４を折り曲げてベース部４ａや第１折曲部４ｄ、第２折曲部４ｅと重なる面を形成する必要がなくなるので、熱伝導性が良くなり熱交換性能が向上するとともに、素材の材料幅を小さくできコストおよび重量の増加を抑制することができる。

さらに、チューブ４の当接部４ｔは、内面同士が互いに当接する。このようなチューブ４によれば、上記の効果を奏するとともに、当接部４ｔの内面同士が互いに当接するように折り返されることによって、より耐圧性とロウ付け性を向上させることができる。

また、チューブ４のスリット４ｓは、チューブ４の長手方向に沿う一部に形成される。このようなチューブ４によれば、チューブ４の長手方向に沿って形成される当接部４ｔの一部において、ベース部４ａ付近に位置するようにスリット４ｓを配置できるので、当接部４ｔの内面とベース部４ａの内面との間のロウ付け性を確保することができる。

また、チューブ４のスリット４ｓは、チューブ４の長手方向に沿って隣り合うスリット４ｓとの間隔Ｄ２が５ｍｍ以上、かつ、３０ｍｍ以下となるように配列される（５ｍｍ≦Ｄ２≦３０ｍｍ）。このようなチューブ４によれば、曲げ加工時応力を抑えつつロウ付け性の確保も図れるとともに、材料幅を大きくすることなくチューブ４の熱交換性能を向上させることができる。

また、熱交換器１は、上記したようなチューブ４を備えることで、ロウ付け性の確保と、材料幅を大きくすることなくチューブ４の熱交換性能を向上させることとを両立することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、上記の各態様は、適宜組み合わせることができる。

１ 熱交換器
２ コア
３ フィン
４ 熱交換チューブ（チューブ４）
４ａ ベース部
４ｂ 端部
４ｃ 端部
４ｄ 第１折曲部
４ｅ 第２折曲部
４ｆ 第１仕切部
４ｇ 第２仕切部
４ｓ スリット
４ｔ 当接部
４ｚ 接続部
５ タンク
６ タンク本体
１０ プレート
２０ レインフォース

Claims (6)

1. 熱交換器に用いられ、外面にロウ材被覆部が形成される熱交換チューブであって、
   平板状のベース部と、
   前記ベース部の端部から前記ベース部の中央部側に向けてそれぞれ折り曲げられ、前記ベース部と所定の間隔をもって対向する第１折曲部および第２折曲部と、
   前記第１折曲部および前記第２折曲部の前記中央部側の端部から前記ベース部に向けてそれぞれ折り曲げられる第１仕切部および第２仕切部と、
   前記第１折曲部または前記第２折曲部の少なくともいずれか一方の一部が前記ベース部に向けて折り曲げられて内面が前記ベース部の内面に当接する当接部と、
   前記熱交換チューブの長手方向に沿って、前記当接部に形成されるスリットと、を有する、
   ことを特徴とする熱交換チューブ。
2. 請求項１に記載の熱交換チューブであって、
   前記当接部は、外面同士が互いに当接する、
   ことを特徴とする熱交換チューブ。
3. 請求項２に記載の熱交換チューブであって、
   前記当接部は、内面同士が互いに当接する、
   ことを特徴とする熱交換チューブ。
4. 請求項１または請求項２に記載の熱交換チューブであって、
   前記スリットは、前記熱交換チューブの長手方向に沿う一部に形成される、
   ことを特徴とする熱交換チューブ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の熱交換チューブであって、
   前記スリットは、前記熱交換チューブの長手方向に沿って隣り合う前記スリットとの間隔が５ｍｍ以上、かつ、３０ｍｍ以下となるように配列される、
   ことを特徴とする熱交換チューブ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の熱交換チューブを備える、
   ことを特徴とする熱交換器。

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