JP2021127869A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブとタンクとの接合部分における歪みを十分に低減することのできる熱交換器、を提供する。【解決手段】熱交換器１０は、積層方向に沿って並ぶ複数のチューブ１３０と、それぞれのチューブ１３０が接続されたタンク１１０と、を備える。タンク１１０は、チューブ１３０を挿通するための挿通穴４０２が複数形成されている平坦部４００を有する。挿通穴４０２の周囲にはバーリング部４１０が形成されている。バーリング部４１０とチューブ１３０とが互いに接合されている接合領域ＢＤの、チューブ１３０の長手方向に沿った外側の端部から、平坦部４００の平坦面４０１までの距離を接合距離としたときに、熱交換器１０は、幅方向に沿ったチューブ１３０の端部となる位置において、接合距離が最も小さくなるように構成されている。【選択図】図７

Description

本開示は、熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

例えばラジエータや蒸発器等のような熱交換器は、熱媒体の通る金属製のチューブを複数本備えている。熱交換器では、チューブの内側を通る熱媒体と、チューブの外側を通る空気との間で熱交換が行われる。

複数のチューブは、タンクの挿通穴に挿通された状態で、タンクに対してろう接されている。タンクのうち上記の挿通穴の近傍には、チューブの長手方向に沿って突出するようにバーリング部が形成されることが多い。バーリング部は、タンクの内側に向けて突出するように形成されるのが一般的であるが、下記特許文献１に記載されているように、タンクの外側に向けて突出するように形成される場合もある。このような構成によれば、タンク内部における熱媒体の流路抵抗を低減することが可能となる。

米国特許第１０２１５５０２号明細書

上記のような構成の熱交換器においては、熱媒体の温度に起因した熱膨張もしくは収縮に伴って、特にチューブとバーリング部との接合部分に歪みが生じる。チューブの断面が扁平形状となっている場合には、チューブの長辺側の接合部分に比べて、チューブの短片側の接合部分において特に大きな歪みが生じる傾向がある。これは、チューブの短辺側の部分においてはその剛性が比較的高いため、熱膨張等による変形時に、当該部分に応力が集中してしまうためと考えられる。

上記特許文献１には、バーリング部の形状を工夫することで、接合部分の歪みを低減することについての記載がある。しかしながら、当該工夫によっては、歪みを十分に低減することは難しいと考えられる。チューブとタンクとの接合部分における歪みを低減することについて、上記特許文献１に記載されている構成は更なる改良の余地があった。

本開示は、チューブとタンクとの接合部分における歪みを十分に低減することのできる熱交換器、を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器（１０）である。この熱交換器は、内部を熱媒体が通る管状の部材であって、積層方向に沿って並ぶように配置された複数のチューブ（１３０，２３０）と、それぞれのチューブが接続されたタンク（１１０，２１０，１２０，２２０）と、を備える。タンクは、チューブを挿通するための挿通穴（４０２）が複数形成されている部分であって、その内面の一部が平坦面（４０１）となるように形成されている平坦部（４００）を有する。タンクのうち挿通穴の周囲には、チューブの長手方向に沿って外側に突出するようバーリング部（４１０）が形成されている。チューブの長手方向及び積層方向のいずれに対しても垂直な方向を、チューブの幅方向とし、バーリング部とチューブとが互いに接合されている接合領域の、チューブの長手方向に沿った外側の端部から、平坦面までの距離を接合距離としたときに、この熱交換器は、幅方向に沿ったチューブの端部となる位置において、接合距離が最も小さくなるように構成されている。

本発明者らが行った実験等によれば、幅方向に沿ったチューブの端部となる位置、における接合距離が大きい場合には、チューブの変形の仕方によっては上記端部の歪みが大きくなり過ぎて、端部が破損しやすくなるという知見が得られている。

そこで、上記構成の熱交換器は、幅方向に沿ったチューブの端部となる位置において、接合距離が最も小さくなるように構成されている。これにより、端部を含む接合部分全体において生じる歪みを十分に抑制し、チューブの破損を防止することが可能となる。

本開示によれば、チューブとタンクとの接合部分における歪みを十分に低減することのできる熱交換器、が提供される。

図１は、本実施形態に係る熱交換器の全体構成を示す図である。 図２は、図１の熱交換器の一部を拡大して示す図である。 図３は、図１の熱交換器が備えるフィン、及びその上下に配置されたチューブを示す図である。 図４は、チューブとタンクの接合部分における構成を示す断面図である。 図５は、チューブとタンクの接合部分における構成を示す斜視図である。 図６は、図４のＶＩ−ＶＩ断面を示す図である。 図７は、バーリング部の形状及び接合距離の分布について説明するための図である。 図８は、チューブとタンクの接合部分における構成を示す断面図である。 図９は、バーリング部の形状と歪みとの関係を示す図である。 図１０は、変形例に係る熱交換器における、チューブとタンクの接合部分における構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る熱交換器１０の構成について説明する。熱交換器１０は、不図示の車両に搭載される熱交換器である。図１に示されるように、熱交換器１０は、ラジエータ１００と蒸発器２００とを組み合わせて一体化した複合型の熱交換器として構成されている。

ラジエータ１００は、不図示の発熱体を通り高温となった冷却水を、空気との熱交換によって冷却するための熱交換器である。ここでいう「発熱体」とは、上記車両に搭載され冷却を必要とする機器のことであって、例えば内燃機関、インタークーラ、モーター、インバーター、バッテリ等のことである。蒸発器２００は、車両に搭載される不図示の空調装置の一部であって、空気との熱交換によって液相の冷媒を蒸発させるための熱交換器である。このように、熱交換器１０は、熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器として構成されている。ラジエータ１００においては冷却水が上記の「熱媒体」に該当し、蒸発器２００においては冷媒が上記の「熱媒体」に該当する。

先ず、ラジエータ１００の構成について説明する。ラジエータ１００は、一対のタンク１１０、１２０と、チューブ１３０と、フィン１４０と、を備えている。尚、図１においてはフィン１４０の図示が省略されている。

タンク１１０、１２０はいずれも、熱媒体である冷却水を一時的に貯えるための金属製の容器である。これらは略円柱形状の細長い容器として形成されており、その長手方向を上下方向に沿わせた状態で配置されている。タンク１１０、１２０は、水平方向に沿って互いに離間した位置に配置されており、両者の間には後述のチューブ１３０及びフィン１４０が配置されている。

尚、タンク１１０は、蒸発器２００が有するタンク２１０と一体化されている。同様に、タンク１２０は、蒸発器２００が有するタンク２２０と一体化されている。図１においては、タンク１１０及びタンク２１０の内部の構成を示すため、タンク１１０及びタンク２１０を分解し、その一部を熱交換器１０から取り外した状態が示されている。

タンク１１０には、受入部１１１、１１２が形成されている。これらはいずれも、上記の発熱体を通った後の冷却水を受け入れるための部分として設けられている。受入部１１１は、タンク１１０のうち上方側となる位置に設けられている。受入部１１２は、タンク１１０のうち下方側となる位置に設けられている。

図１に示されるように、タンク１１０の内部空間は、セパレータＳ３によって上下２つに分けられている。受入部１１１から供給された冷却水は、タンク１１０の内部空間のうちセパレータＳ３よりも上方側の部分に流入する。受入部１１２から供給された冷却水は、タンク１１０の内部空間のうちセパレータＳ３よりも下方側の部分に流入する。

タンク１２０には、排出部１２１、１２２が形成されている。これらはいずれも、熱交換に供された後の冷却水を外部へと排出するための部分として設けられている。排出部１２１は、タンク１２０のうち上方側となる位置に設けられている。排出部１２２は、タンク１２０のうち下方側となる位置に設けられている。

タンク１２０の内部には、セパレータＳ３と同じ高さとなる位置に、セパレータＳ３と同様のセパレータが配置されている。タンク１２０の内部空間は、当該セパレータによって上下２つに分けられている。タンク１２０のうち当該セパレータよりも上方側の内部空間に流入した冷却水は、排出部１２１から外部へと排出される。タンク１２０のうち当該セパレータよりも下方側の内部空間に流入した冷却水は、排出部１２２から外部へと排出される。

チューブ１３０は、内部を冷却水が通る管状の部材であって、ラジエータ１００に複数本備えられている。それぞれのチューブ１３０は細長い直線状の管となっており、水平方向に沿って伸びるように配置されている。チューブ１３０は、その一端がタンク１１０に接続されており、その他端がタンク１２０に接続されている。これにより、タンク１１０の内部空間は、それぞれのチューブ１３０を介して、タンク１２０の内部空間と連通されている。

それぞれのチューブ１３０は、上下方向、つまりタンク１１０等の長手方向に沿って並ぶように配置されている。尚、上下方向に沿って互いに隣り合うチューブ１３０の間にはフィン１４０が配置されているのであるが、先に述べたように、図１においてはフィン１４０の図示が省略されている。複数のチューブ１３０が並んでいる方向、すなわち本実施形態では上下方向のことを、以下では「積層方向」とも称する。

外部からタンク１１０に供給された冷却水は、それぞれのチューブ１３０の内側を通ってタンク１２０へと流入する。冷却水は、チューブ１３０の内側を通る際において、チューブ１３０の外側を通過する空気によって冷却されその温度を低下させる。尚、当該空気が通過する方向は、タンク１１０の長手方向及びチューブ１３０の長手方向のいずれに対しても垂直な方向であって、ラジエータ１００から蒸発器２００へと向かう方向となっている。熱交換器１０の近傍には、上記の方向に空気を送り出すための不図示のファンが設けられている。

フィン１４０は、金属板を波状に折り曲げることによって形成されたコルゲートフィンである。上記のように、フィン１４０は、上下方向において互いに隣り合うチューブ１３０の間となる位置に配置されている。つまり、ラジエータ１００では、フィン１４０とチューブ１３０とが、積層方向に沿って交互に並ぶように積層されている。図２は、ラジエータ１００を空気の流れる方向に沿って見た上で、フィン１４０及びその近傍の構成を拡大して示す図である。図２に示されるように、波状に形成されたフィン１４０のそれぞれの頂部は、積層方向において隣り合うチューブ１３０の表面に当接しており、且つろう接されている。

チューブ１３０の内側を冷却水が通っているときにおいては、冷却水の熱がチューブ１３０を介して空気に伝達されるほか、チューブ１３０及びフィン１４０を介しても空気に伝達される。つまり、空気との接触面積がフィン１４０によって大きくなっており、これにより空気と冷却水との熱交換が効率的に行われる。

再び図１を参照しながら、蒸発器２００の構成について説明する。蒸発器２００は、一対のタンク２１０、２２０と、チューブ２３０と、フィン１４０と、を備えている。

タンク２１０、２２０はいずれも、熱媒体である冷媒を一時的に貯えるための容器である。これらは略円柱形状の細長い容器として形成されており、その長手方向を上下方向に沿わせた状態で配置されている。タンク２１０、２２０は、水平方向に沿って互いに離間した位置に配置されており、両者の間にはチューブ２３０及びフィン１４０が配置されている。

先に述べたように、タンク２１０は、ラジエータ１００が有するタンク１１０と一体化されている。同様に、タンク２２０は、ラジエータ１００が有するタンク１２０と一体化されている。

タンク２１０には、受入部２１１と排出部２１２とが形成されている。受入部２１１は、空調装置を循環する冷媒を受け入れるための部分である。受入部２１１には、空調装置が備える不図示の膨張弁を通過した後の、低温の液相冷媒が供給される。受入部２１１は、タンク２１０のうち上方側の端部近傍となる位置に設けられている。排出部２１２は、熱交換に供された後の冷媒を外部へと排出するための部分である。蒸発器２００における熱交換によって蒸発した気相の冷媒は、排出部２１２から外部へと排出された後、空調装置が備える不図示の圧縮機へと供給される。排出部２１２は、タンク２１０のうち下方側の端部近傍となる位置に設けられている。

図１に示されるように、タンク２１０の内部空間は、セパレータＳ１、Ｓ２によって上下３つに分けられている。受入部２１１は、上方側のセパレータＳ１よりも更に上方側となる位置に設けられている。排出部２１２は、下方側のセパレータＳ２よりも更に下方側となる位置に設けられている。

タンク２２０の内部空間は、不図示のセパレータによって上下２つに分けられている。当該セパレータが設けられている位置は、セパレータＳ１よりも低く、且つセパレータＳ２よりも高い位置となっている。

チューブ２３０は、内部を冷媒が通る管状の部材であって、蒸発器２００に複数本備えられている。それぞれのチューブ２３０は細長い直線状の管となっており、水平方向に沿って伸びるように配置されている。チューブ２３０は、その一端がタンク２１０に接続されており、その他端がタンク２２０に接続されている。これにより、タンク２１０の内部空間は、それぞれのチューブ２３０を介して、タンク２２０の内部空間と連通されている。

それぞれのチューブ２３０は、上下方向、つまり積層方向に沿って並ぶように配置されている。本実施形態では、それぞれのチューブ２３０が、空気の流れる方向に沿ってチューブ１３０と隣り合う位置に配置されている。つまり、チューブ２３０は、チューブ１３０と同じ数だけ設けられており、それぞれのチューブ１３０と同じ高さとなる位置に配置されている。

外部から受入部２１１へと供給された冷媒は、タンク２１０の内部空間のうちセパレータＳ１よりも上方側の部分に流入する。当該冷媒は、セパレータＳ１よりも上方側に配置されたチューブ２３０の内側を通り、タンク２２０の内部空間のうち不図示のセパレータよりも上方側の部分に流入する。その後、冷媒は、当該セパレータよりも上方側であり且つセパレータＳ１よりも下方側に配置されたチューブ２３０の内側を通り、タンク２１０の内部空間のうちセパレータＳ１とセパレータＳ２との間の部分に流入する。

更にその後、冷媒は、セパレータＳ２よりも上方側であり且つタンク２２０内のセパレータよりも下方側に配置されたチューブ２３０の内側を通り、タンク２２０の内部空間のうちセパレータよりも下方側の部分に流入する。当該冷媒は、セパレータＳ２よりも下方側に配置されたチューブ２３０の内側を通り、タンク２２０の内部空間のうちセパレータＳ２よりも下方側の部分に流入した後、排出部２１２から外部へと排出される。

冷媒は、上記のように各チューブ２３０の内側を通る際において、チューブ２３０の外側を通過する空気によって加熱されて蒸発し、液相から気相へと変化する。当該空気は、ラジエータ１００を通過して温度が上昇した後の空気である。空気は、チューブ２３０の外側を通過する際において熱を奪われるため、その温度を低下させる。

積層方向に沿って互いに隣り合うチューブ２３０の間には、図１においては不図示のフィン１４０が配置されている。このフィン１４０は、先に述べたラジエータ１００が備えるフィン１４０である。図３に示されるように、それぞれのフィン１４０は、ラジエータ１００が備えるチューブ１３０の間から、蒸発器２００が備えるチューブ２３０の間まで伸びるように配置されている。つまり、ラジエータ１００と蒸発器２００との間では、それぞれのフィン１４０が共有されている。

このため、蒸発器２００では、図２を参照しながら説明したラジエータ１００と同様に、フィン１４０とチューブ２３０とが、積層方向に沿って交互に並ぶように積層されている。波状に形成されたフィン１４０のそれぞれの頂部は、積層方向において隣り合うチューブ２３０の表面に当接しており、且つろう接されている。

チューブ２３０の内側を冷媒が通っているときにおいては、空気の熱がチューブ２３０を介して冷媒に伝達されるほか、チューブ２３０及びフィン１４０を介しても冷媒に伝達される。つまり、空気との接触面積がフィン１４０によって大きくなっており、これにより空気と冷媒との熱交換が効率的に行われる。

本実施形態では更に、チューブ１３０の内側を通る冷却水の熱が、フィン１４０を介した熱伝導によっても、チューブ２３０の内側を通る冷媒へと伝えられる。蒸発器２００では、空気からの熱に加えて冷却水からの熱も回収されるので、空調装置の動作効率が更に高くなっている。

図１に示されるように、最も上方側に配置されたチューブ１３０、２３０の更に上方側となる位置には、板状の部材である補強プレート１１が配置されている。また、最も下方側に配置されたチューブ１３０、２３０の更に下方側となる位置には、板状の部材である補強プレート１２が配置されている。補強プレート１１、１２は、チューブ１３０等を補強してその変形を防止するために設けられた金属板である。

図１においては、ラジエータ１００から蒸発器２００へと向かう方向、すなわち、これらを通るように空気が流れる方向がｘ方向となっており、同方向に沿ってｘ軸が設定されている。また、ｘ方向に対して垂直な方向であって、タンク１２０からタンク１１０に向かう方向、すなわちチューブ１３０等の長手方向がｙ方向となっており、同方向に沿ってｙ軸が設定されている。更に、ｘ方向及びｙ方向のいずれに対しても垂直な方向であって、下方側から上方側に向かう方向、すなわちタンク１１０等の長手方向がｚ方向となっており、同方向に沿ってｚ軸が設定されている。以降においては、上記のように定義されたｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向を用いて説明を行う。

図３には、一つのフィン１４０と、その上下両側に配置されたチューブ１３０、２３０の断面とが示されている。同図に示されるように、チューブ１３０、２３０は、いずれもｘ方向に沿って伸びるような扁平形状の断面を有している。チューブ１３０の内部には冷却水の通る流路ＦＰ１が形成されている。流路ＦＰ１にはインナーフィンＩＦ１が配置されている。同様に、チューブ２３０の内部には冷媒の通る流路ＦＰ２が形成されている。流路ＦＰ２にはインナーフィンＩＦ２が配置されている。同じ高さとなる位置に配置されたチューブ１３０とチューブ２３０との間には隙間が形成されている。

図２及び図３に示されるように、フィン１４０には複数のルーバー１４１が形成されている。ルーバー１４１は、フィン１４０の一部を切り起こすことによって形成されたものである。具体的には、フィン１４０のうち平板状の部分に対し、ｚ方向に沿って伸びる直線状の切り込みを、ｘ方向に沿って並ぶように複数形成した上で、互いに隣り合う切り込みの間の部分を捩じることによってルーバー１４１が形成されている。ルーバー１４１の近傍に形成された隙間を空気が通過することで、空気との間における熱交換が更に効率的に行われる。尚、このようなルーバー１４１の形状としては、従来のフィンに形成されるルーバーと同様の形状を採用することができる。

チューブ１３０の具体的な形状について、引き続き図３を参照しながら説明する。図３に示されるように、チューブ１３０は、一枚の金属板を曲げ加工した上で、その端部同士をろう接することにより形成された管状の部材である。既に述べたように、チューブ１３０は、ｘ方向に沿って伸びるような扁平形状の断面を有している。当該断面において、チューブ１３０は、平板部１３１と、湾曲部１３２、１３３と、を有している。

平板部１３１は平板状に形成された部分であって、その法線をｚ軸に沿わせた状態で配置されている。換言すれば、それぞれのチューブ１３０は、平板部１３１の法線方向が積層方向に沿うように配置されている。平板部１３１は２つ設けられており、これらが上下方向に対向するように配置されている。このような平板部１３１は、チューブ１３０のうち、互いに対向する一対の平板状に形成された部分、ということができる。

ここで、チューブ１３０、２３０の長手方向及び積層方向のいずれに対しても垂直な方向、すなわちｘ軸に沿った方向のことを、以下ではチューブ１３０の「幅方向」と定義する。湾曲部１３２、１３３はいずれも、上下に並ぶ平板部１３１の、幅方向に沿った端部同士を繋ぐように湾曲している部分である。具体的には、湾曲部１３２は、それぞれの平板部１３１のうちｘ方向側の端部同士を繋ぐように湾曲している。湾曲部１３３は、それぞれの平板部１３１のうち−ｘ方向側の端部同士を繋ぐように湾曲している。

尚、湾曲部１３２は、図３に示されるように円弧状に湾曲している。このため、湾曲部１３２のことを、以下では「円弧部」とも称することがある。湾曲部１３３は、チューブ１３０の材料となる金属板を折り曲げてろう接した部分なので、湾曲部１３２のように円弧状とはなっていない。このため、湾曲部１３３は「円弧部」には該当しない。このような態様に替えて、湾曲部１３２、湾曲部１３３のそれぞれが円弧部となっているような態様であってもよい。

図３においては、平板部１３１と湾曲部１３２との境界が点線ＤＬ１によって示されている。また、平板部１３１と湾曲部１３３との境界が点線ＤＬ２によって示されている。

チューブ２３０の形状は、以上に説明したチューブ１３０の形状と同じである。チューブ２３０のうち、平板部１３１、湾曲部１３２、及び湾曲部１３３に対応する部分のことを、以下ではそれぞれ「平板部１３１」、「湾曲部１３２」、及び「湾曲部１３３」と称する。図３に示されるように、チューブ２３０は、湾曲部１３２が−ｘ方向側の端部となり、湾曲部１３３がｘ方向側の端部となるように配置されている。

図３においては、平板部２３１と湾曲部２３２との境界が点線ＤＬ３によって示されている。また、平板部２３１と湾曲部２３３との境界が点線ＤＬ４によって示されている。

図４、５、６を参照しながら、タンク１１０とチューブ１３０との接続部分における構成、及び、タンク２１０とチューブ２３０との接続部分における構成について説明する。図４は、タンク１１０及びタンク２１０を、その長手方向に対し垂直な面で切断した場合における断面を模式的に示すものである。

尚、図４に示される点線ＤＬ１１は、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３２との境界を示す線であり、図３の点線ＤＬ１に対応するものである。点線ＤＬ１２は、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３３との境界を示す線であり、図３の点線ＤＬ２に対応するものである。点線ＤＬ１３は、チューブ２３０が有する平板部２３１と湾曲部２３２との境界を示す線であり、図３の点線ＤＬ３に対応するものである。点線ＤＬ１４は、チューブ２３０が有する平板部２３１と湾曲部２３３との境界を示す線であり、図３の点線ＤＬ４に対応するものである。

同図に示されるように、タンク１１０は、その−ｙ方向側の部分に平坦部４００を有している。平坦部４００は、その内面の略全体が、チューブ１３０の長手方向に対して垂直な平坦面４０１となっている。タンク１１０の平坦部４００は、チューブ１３０が接続されている部分である。

平坦部４００には、これをｙ方向に沿って貫く挿通穴４０２が複数形成されている。挿通穴４０２は、チューブ１３０を挿通するための穴である。ｙ方向に沿って見た場合の挿通穴４０２の外形は、チューブ１３０の外形に概ね等しい。挿通穴４０２は、チューブ１３０の本数と同じ数だけ形成されており、タンク１１０の長手方向に沿って並ぶように形成されている。

図６に示されるように、タンク１１０のうちそれぞれの挿通穴４０２の周囲には、バーリング部４１０が形成されている。バーリング部４１０は、チューブ１３０の長手方向に沿って外側に向けて、すなわち−ｙ方向側に向けて突出するように形成されている。バーリング部４１０は、チューブ１３０の外周を取り囲むことによりチューブ１３０を保持している。また、バーリング部４１０の内周面と、チューブ１３０の外周面とは互いに当接しており、この当接している部分において互いにろう接されている。

図６に示されるように、平坦部４００の内面は、バーリング部４１０の近傍において傾斜している。このため、平坦部４００の内面は、その全体が平坦面４０１となっているわけではなく、その一部のみが平坦面４０１となっている。

このように、タンク１１０は平坦部４００を有している。平坦部４００は、チューブ１３０を挿通するための挿通穴４０２が複数形成されている部分であって、その内面の一部が平坦面４０１となるように形成されている部分である。

尚、タンク２１０とチューブ２３０との接続部分における構成は、タンク１１０とチューブ１３０との接続部分における構成と、ｙ−ｚ平面について対称となっている。すなわち、両者の間に構成上の相違はない。このため、以下においては、タンク２１０の有する平坦部やバーリング部等も、タンク１１０の場合と同様の符号を付した上で「平坦部４００」や「バーリング部４１０」等と表記する。また、以下では、タンク１１０における平坦部４００等の構成について主に説明し、タンク２１０における構成については適宜説明を省略する。

図６に示されるように、バーリング部４１０の先端、すなわち−ｙ方向側の端部には、面取り４１４が施されている。面取り４１４は、チューブ１３０側に行くほどタンク１１０側に近づくようなテーパー状に形成されている。このような面取り４１４が形成されていることにより、熱交換器１０の製造時においては、タンク１１０の外側、すなわちバーリング部４１０の先端側から、ｙ方向側へとチューブ１３０を挿通する作業を容易に行うことが可能となっている。

ここで、バーリング部４１０とチューブ１３０（もしくはチューブ２３０）とが互いに当接して接合されている領域のことを、以下では「接合領域ＢＤ」と定義する。また、接合領域ＢＤの、チューブ１３０（もしくはチューブ２３０）の長手方向に沿った外側の端部から、平坦面４０１までの距離のことを、以下では「接合距離」と定義する。このように定義される接合距離は、図６において「Ｌ１」で示される距離である。

図４に示されるように、バーリング部４１０の−ｙ方向に向けた突出量は、全体で一様とはなっておらず、ｘ軸に沿った位置によって突出量が異なっている。このため、上記のように定義される接合距離も、ｘ軸に沿った位置によって異なるものとなる。

図４において符号４１１が付された部分では、バーリング部４１０の先端がｘ方向に沿った直線状となっている。その結果、接合領域ＢＤのうち符号４１１に対応する領域においては、ｘ軸に沿った位置によることなく接合距離が一定となっている。このような領域のことを、以下では「第１領域４１１」とも称する。

図４から明らかなように、第１領域４１１は、接合領域ＢＤのうちｘ方向の端部までは伸びておらず、−ｘ方向側の端部までも伸びていない。このような第１領域４１１は、接合領域ＢＤのうち幅方向に沿った端部よりも内側の領域であって、幅方向の位置に寄らず接合距離が一定となっている領域、ということもできる。

第１領域４１１よりも−ｘ方向側の領域、すなわち図４において符号４１２が付されている領域においては、−ｘ方向側に行くほどバーリング部４１０突出量が小さくなっている。このため、当該領域においては、第１領域４１１から遠ざかるほど接合距離が小さくなっている。

同様に、第１領域４１１よりもｘ方向側の領域、すなわち図４において符号４１３が付されている領域においては、ｘ方向側に行くほどバーリング部４１０突出量が小さくなっている。このため、当該領域においても、第１領域４１１から遠ざかるほど接合距離が小さくなっている。

符号４１２、４１３が付されているそれぞれの領域は、第１領域４１１よりも幅方向に沿った外側の領域であって、第１領域４１１から遠ざかるほど接合距離が小さくなる領域である。以下では、それぞれの領域のことを、「第２領域４１２」、「第２領域４１３」とも称する。このように、接合領域ＢＤは、幅方向の内側にある第１領域４１１と、その両外側にある第２領域４１２、４２３とに分けることができる。

図５に示されるように、本実施形態では、バーリング部４１０のうちｘ方向側の端部となる位置に、切り欠き４１５が形成されている。切り欠き４１５においては、バーリング部４１０が、ｙ方向に沿って直線状に切り欠かれている。このため、当該部分におけるバーリング部４１０の突出量は概ね０となっている。バーリング部４１０の−ｘ方向側の端部にも、図５に示されるものと同様の切り欠き４１５が形成されている。尚、バーリング部４１０の突出量が０となる部分においては、先に定義した接合領域ＢＤが存在しないので、当該部分における接合距離は０となる。

ところで、熱交換器１０において熱交換が行われている際においては、熱媒体の温度に応じてチューブ１３０、２３０が膨張又は収縮することに伴って、タンク１１０等において歪みが生じる。例えば、チューブ１３０の内部を高温の冷却水が通り、且つ、チューブ２３０の内側を低温の冷媒が通っているときには、チューブ１３０とチューブ２３０との熱膨張差に伴って、互いに一体となっているタンク１１０、２１０が捻じれるように変形する。当該変形に伴って、チューブ１３０とタンク１１００との接合部分や、チューブ２３０とタンク２１０との接合部分において歪みが生じる。また、冷却水の温度が、複数のチューブ１３０のそれぞれにおいて異なっている場合にも、チューブ１３０毎の熱膨張差に伴う歪みが生じる。同様の歪みは、チューブ１３０のみならずチューブ２３０の接合部分においても生じ得る。

チューブ１３０の接合部分で生じる歪みは、平板部１３１の接合部分に比べて、湾曲部１３２、１３３の接合部分において大きくなる傾向がある。これは、これは、湾曲部１３２、１３３においてはチューブ１３０の剛性が大きくなっていることに伴って、熱膨張等が生じた際の応力が湾曲部１３２、１３３に集中しやすいためと考えられる。このため、歪みに伴うチューブ１３０の破損は、湾曲部１３２、１３３の近傍となる部分において特に生じやすい傾向がある。チューブ２３０についても同様である。

そこで、本実施形態に係る熱交換器１０では、バーリング部４１０等の形状を工夫することによって上記の歪みを低減し、チューブ１３０、２３０の破損を防止し得るように構成されている。

図７の上段に示されるのは、タンク１１０の平坦部４００に形成された挿通穴４０２及びその近傍の構成を、ｙ方向に沿って見て模式的に描いた図である。同図においては、挿通穴４０２に挿通されているチューブ１３０の図示が省略されている。図７の下段に示されるのは、接合領域ＢＤにおける、ｘ方向に沿った接合距離の分布を示すグラフである。当該グラフの横軸は、上段の図におけるｘ座標に対応している。

図７の上段に示される点ＥＰは、チューブ１３０のｘ方向側端部を示す点である。図７では、この点ＥＰのｘ座標が「ｘ１」と示されている。

先に述べたように、バーリング部４１０のうちｘ方向側の端部となる位置には切り欠き４１５が形成されている。図７では、当該切り欠きのｘ座標、すなわちバーリング部４１０のｘ方向側端部のｘ座標が「ｘ２」と示されている。

図７に示される点線ＤＬ２１は、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３２との間の境界を示す線である。図７では、このような境界のｘ座標が「ｘ３」と示されている。尚、点線ＤＬ２１上に示される点ＣＰは、円弧部である湾曲部１３２の、曲率の中心を示す点である。

図７に示される点線ＤＬ２４は、接合領域ＢＤのうち第１領域４１１と第２領域４１３との境界を示す線である。図７では、このような境界のｘ座標が「ｘ４」と示されている。

図７に示されるように、本実施形態においては、第１領域４１１においてはｘ座標に寄らず接合距離が一定となっている一方、ｘ４よりもｘ方向側の部分である第２領域４１３においては、ｘ方向側に行くほど接合距離は小さくなって行き、ｘ方向側の端部である点ＥＰにおいては接合距離が最も小さくなっている。すなわち、本実施形態に係る熱交換器１０は、幅方向に沿ったチューブ１３０の端部となる位置において、接合距離が最も小さくなるように構成されている。図示は省略するが、チューブ１３０の−ｘ方向側端部についても同様であり、タンク２１０やタンク２２０とチューブ２３０との接合部分における接合距離も上記と同様となるように構成されている。

本発明者らが行った実験等によれば、幅方向に沿ったチューブ１３０等の端部やその近傍となる位置、における接合距離が大きい場合には、チューブ１３０等の変形の仕方によっては当該部分の歪みが大きくなり過ぎて、チューブ１３０等が破損しやすくなるという知見が得られている。

これは、チューブ１３０等の端部におけるバーリング部４１０の突出量が大きくなっている場合には、当該部分におけるチューブ１３０等の拘束が強くなり過ぎて、熱膨張に伴う変形の仕方によっては歪みが大きくなり過ぎてしまうためと考えられる。

例えば、冷媒と冷却水との温度差に伴って、チューブ１３０とチューブ２３０との熱膨張に差が生じ、互いに一体となっているタンク１１０、２１０が捻じれるように変形した場合には、バーリング部４１０の突出量が大きくなり過ぎていると、チューブ１３０等とバーリング部４１０の端部（上記の点ＥＰに対応する端部）との間で強い応力が生じ、チューブ１３０の当該部分の歪みが大きくなってしまう。

そこで本実施形態では、上記のように、幅方向に沿ったチューブ１３０等の端部となる位置において、接合距離が最も小さくなるような構成としている。このような構成においては、端部におけるチューブ１３０等の拘束が弱くなり、チューブ１３０等の変位がある程度許容される。熱膨張に伴って接合部分で生じる歪みが、チューブ１３０等の端部以外の部分にも広く分散することとなるので、端部のような特定箇所の歪みが過度に大きくなってしまうことが防止される。その結果、上記の端部を含む接合部分全体の歪みを十分に抑制することができる。

上記の効果は、チューブ１３０等のうち特に歪みの大きくなりやすい幅方向端部近傍の部分を、バーリング部４１０のうち先端の縁が傾斜した部分、すなわち図４の符号４１２や４１３が付されている部分で保持する構成により生じるもの、ということもできる。本実施形態では、第１領域４１１の両側に、第１領域４１１から遠ざかるほど接合距離が小さくなる第２領域４１２、４１３を配置することで、幅方向の端部における歪みの抑制を実現している。

図８は、図４のうち、タンク１１０のバーリング部４１０が有する第２領域４１３、及びその近傍の構成を、拡大して模式的に示す図である。つまり、バーリング部４１０等を積層方向に沿って見た場合の図である。同図に示される「Ｐ１」は、幅方向に沿ったチューブ１３０の端部と、タンク１１０のうちチューブ１３０の長手方向に沿った外側の端部と、が交差する点である。当該点のことを、以下では「第１点Ｐ１」とも称する。「幅方向に沿ったチューブ１３０の端部」とは、この例ではｘ方向側の端部のことである。また、「タンク１１０のうちチューブ１３０の長手方向に沿った外側の端部」とは、この例ではバーリング部４１０の先端、すなわち−ｙ方向側端部のことである。

図８に示される「Ｐ２」は、第１領域４１１のうち、チューブ１３０の長手方向に沿った外側の端部であり、且つ幅方向に沿った第１点Ｐ１側の端部となる点である。当該点のことを、以下では「第２点Ｐ２」とも称する。「幅方向に沿った第１点Ｐ１側の端部となる点」とは、この例では、第１領域４１１のうちｘ方向側の端部となる点のことである。

本実施形態では、図８のように積層方向に沿って見た場合において、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２を繋ぐ直線ＤＬ３１の、チューブ１３０の長手方向に対してなす角度θ２が、４５度以上となるように、バーリング部４１０のうち符号４１３が付されている部分の形状が調整されている。尚、図６に示される面取り４１４を考慮すれば、第２点Ｐ２はバーリング部４１０の先端よりも僅かにｙ方向側となる位置にあるのであるが、煩雑さを避けるため、図８においては当該先端と同じ位置に第２点Ｐ２が描かれている。

本実施形態では、角度θ２を４５度以上とすることで、バーリング部４１０の先端を傾斜させてチューブ１３０等の変形を受ける部分の範囲、すなわち幅方向に沿った第２領域４１３の範囲を、比較的広く確保することができている。これにより、チューブ１３０等の端部近傍で生じる歪みを広範囲に分散させ、その最大値を更に抑制することが可能となっている。

尚、本発明者らが実験等により確認したところによれば、角度θ２は、４５度以上であり且つ６７．５度以下とすれば、歪みを効率的に低減することができるという知見が得られている。

図７に戻って説明を続ける。先に述べたように、チューブ１３０との接合部分で生じる歪みは、平板部１３１との接合部分に比べて、湾曲部１３２、１３３との接合部分において大きくなる傾向がある。つまり、図７においては点線ＤＬ２１よりもｘ方向側の部分で、大きなひずみが生じる傾向がある。このため、仮に、第１領域４１１と第２領域４１３との境界（点線ＤＬ２４）のｘ座標が、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３２との境界（点線ＤＬ２１）のｘ座標に一致していた場合には、傾斜した第２領域４１３で歪みを受けて分散させたとしても、分散する範囲は結局のところ湾曲部１３２との接合部に集中してしまうこととなる。

そこで、本実施形態では、図７に示されるように、第１領域４１１と第２領域４１３との境界（点線ＤＬ２４）が、幅方向に沿って、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３２との境界（点線ＤＬ２１）、よりも平板部１３１側（この例では−ｘ方向側）となる位置に配置された構成としている。

このような構成により、湾曲部１３２との接合部分において生じる歪みを、平板部１３１との接合部分を含む広い範囲で受けて分散させることが可能となる。これにより、歪みを広範囲に分散させ、その最大値を更に抑制することが可能となっている。

尚、上記のような位置関係は、−ｘ方向側の接合部分についても同様となっている。つまり、第１領域４１１と第２領域４１２との境界が、幅方向に沿って、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３３との境界、よりも平板部１３１側（この例ではｘ方向側）となる位置に配置されている。更に、同様の構成はタンク２１０やタンク２２０とチューブ２３０との接続部分についても採用されている。

図７では、第１領域４１１と第２領域４１３との境界（点線ＤＬ２４）と、チューブ１３０が有する平板部１３１と湾曲部１３２との境界（点線ＤＬ２１）と、の間の距離が、「Ｌ２」として示されている。図９には、このように定義される距離Ｌ２を変化させて行った場合における、各構成で生じる歪みの最大値の変化が示されている。同図に示されるように、距離Ｌ２が０の状態から、距離Ｌ２を次第に大きくしていくと、それに伴って歪は当初のＳＴ０から次第に小さくなって行く。しかしながら、距離Ｌ２を更に大きくしていくと、歪みの大きさは増加傾向となる。距離Ｌ２が３ｍｍを超えると、歪みの大きさは当初のＳＴ０よりも大きくなってしまう。

これは、距離Ｌ２が大きくなり過ぎると、幅方向に沿った歪みの分散範囲が広くなり過ぎて傾斜した先端で歪みを受ける第２領域４１３が、平板部１３１にまで深く入り込む結果、剛性の比較的小さな平板部１３１における歪みが大きくなってしまうためと考えられる。

このような特性を考慮すれば、第１領域４１１と第２領域４１３との境界（図７の点線ＤＬ２４）と、平板部１３１と湾曲部１３２との境界（図７点線ＤＬ２１）と、の間の前記幅方向に沿った距離Ｌ２は、３ｍｍ以内としておくことが好ましい。チューブ１３０のうち−ｘ方向側の接合部分、及びチューブ２３０の接合部分についても同様である。

図７に示される一対の点線ＤＬ２２は、バーリング部４１０に形成された切り欠き４１５のそれぞれの端部と、点ＣＰとを繋ぐ線である。切り欠き４１５は、バーリング部４１０のうち、チューブ１３０等の幅方向に沿った端部を含む所定範囲、すなわち一対の点線ＤＬ２２の間となる範囲に形成されている。

本発明者らが実験等により確認したところによれば、チューブ１３０等の幅方向に沿った端部近傍の歪みは、湾曲部１３２との接合部分であって、図７のθ１１のような角度、すなわち点線ＤＬ２１とのなす角度が４５度となる範囲において特に大きくなる傾向がある。このため、当該範囲においては、バーリング部４１０をチューブ１３０等の側面に当接させ、チューブ１３０等の変形をバーリング部４１０で受けた方が好ましい。換言すれば、角度θ１１で示される４５度の範囲を避けるような範囲に、切り欠き４１５を形成しておくことが好ましい。

図７の角度θ１は、点ＥＰと点ＣＰとを繋ぐ点線ＤＬ２３に対して点線ＤＬ２２がなす角度である。つまり、角度θ１は切り欠き４１５が形成されている所定範囲を示している。

上記の「所定範囲」、すなわち角度θ１で示されるような切り欠き４１５が形成されている範囲は、バーリング部４１０のうち、円弧部である湾曲部１３２と対向する部分のうちの全部、又はその一部とすることが好ましい。すなわち、円弧部である湾曲部１３２と対向する部分のうちの少なくとも一部であることが好ましい。上記のように、図７の角度θ１１で示される４５度の範囲において歪みが特に大きくなる傾向に鑑みれば、切り欠き４１５は当該範囲を避けるように、角度θ１が４５度以内となる範囲に形成されることが好ましい。換言すれば、図７のようにチューブ１３０等の長手方向に沿って見た場合において、切り欠き４１５が形成される「所定範囲」は、円弧部の曲率の中心である点ＣＰを基準とした際に、幅方向に沿ったチューブ１３０等の端部となる点ＥＰを挟む両側４５度以内の範囲、として設定されていることが好ましい。本実施形態では、θ１は４５となるように設定されている。

このように、本実施形態では、チューブ１３０等のうち歪みの大きくなりやすい円弧部の近傍において、バーリング部４１０と切り欠き４１５とを適切に配置することにより、歪みを低減することとしている。上記のように、図７のθ１１のような４５度の範囲は、バーリング部４１０の第２領域４１３によってチューブ１３０等を保持した方が、歪みを抑制し得る範囲である。また、図７のθ１が４５度又はそれ以内となる範囲は、第２領域４１３による保持に替えて切り欠き４１５を形成した方が、歪みを抑制し得る範囲である。

尚、タンク１２０とチューブ１３０との接合部分、及びタンク２１０やタンク２２０とチューブ２３０との接合部分における構成は、以上に説明したタンク１１０とチューブ１３０との接合部分の構成と同じである。つまり、本実施形態では、チューブ１３０、２３０の接合部分の全てにおいて、これまで説明したようなバーリング部４１０等の工夫が適用されている。

このような態様に替えて、特に歪みの生じやすい一部の接合部分においてのみ上記工夫を適用することとしてもよい。「特に歪みの生じやすい一部の接合部分」とは、例えば、熱媒体の流れ方向に沿った下流側の接合部分、すなわち、チューブ１３０とタンク１２０との接合部分や、チューブ２３０とタンク２２０との接合部分のことである。熱媒体の流れ方向に沿った下流側では、チューブ１３０等を通る際の熱交換のばらつき等に起因して、それぞれのチューブ１３０等を通る熱媒体の温度に差が生じる傾向がある。このため、下流側の接合部分においては、これまで説明したようなバーリング部４１０等の工夫を適用する必要性が特に大きい。

以上の説明においては、熱交換器１０が、ラジエータ１００と蒸発器２００とを組み合わせた複合型の熱交換器として構成されている場合の例について説明した。しかしながら、以上に説明したような歪みを低減するためのバーリング部４１０等の工夫は、複合型ではない単体の熱交換器に対しても適用することができる。

本実施形態の変形例について、図１０を参照しながら説明する。本実施形態では、タンク１１０等の平坦部４００にバーリング部４１０Ａが形成されている。バーリング部４１０Ａの形状は、これまでに説明したバーリング部４１０の形状と概ね同じであり、第１領域４１１や第２領域４１２の形状等について、これまでに説明したものと同様の工夫が施されている。

ただし、この変形例におけるバーリング部４１０Ａは、タンク１１０等とは別の部品として予め形成された後に、タンク１１０等に対して接合されている。図１０に示されるように、平坦部４００には予め挿通穴４０２Ａが形成されており、別部品であるバーリング部４１０Ａがこの挿通穴４０２Ａに挿通され接合されている。チューブ１３０等は、バーリング部４１０Ａに形成されている挿通穴４０２Ｂに対して挿通されろう接されている。このように、バーリング部４１０Ａを後付けされる別部品とした構成においても、これまでに説明したものと同様の効果を奏することができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：熱交換器
１３０，２３０：チューブ
１１０，２１０，１２０，２２０：タンク
４００：平坦部
４０１：平坦面
４０２：挿通穴
４１０：バーリング部

Claims (10)

1. 熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器（１０）であって、
   内部を熱媒体が通る管状の部材であって、積層方向に沿って並ぶように配置された複数のチューブ（１３０，２３０）と、
   それぞれの前記チューブが接続されたタンク（１１０，２１０，１２０，２２０）と、を備え、
   前記タンクは、前記チューブを挿通するための挿通穴（４０２）が複数形成されている部分であって、その内面の一部が平坦面（４０１）となるように形成されている平坦部（４００）を有し、
   前記タンクのうち前記挿通穴の周囲には、前記チューブの長手方向に沿って外側に突出するようバーリング部（４１０）が形成されており、
   前記チューブの長手方向及び前記積層方向のいずれに対しても垂直な方向を、前記チューブの幅方向とし、
   前記バーリング部と前記チューブとが互いに接合されている接合領域の、前記チューブの長手方向に沿った外側の端部から、前記平坦面までの距離を接合距離としたときに、
   前記幅方向に沿った前記チューブの端部となる位置において、前記接合距離が最も小さくなるように構成されている熱交換器。
2. 前記接合領域のうち、前記幅方向に沿った端部よりも内側には、前記幅方向の位置に寄らず前記接合距離が一定となっている領域、である第１領域（４１１）が形成されており、
   前記第１領域よりも、前記幅方向に沿った外側においては、前記第１領域から遠ざかるほど前記接合距離が小さくなる領域、である第２領域（４１２，４１３）が形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記積層方向に沿って見た場合において、
   前記幅方向に沿った前記チューブの端部と、前記タンクのうち前記チューブの長手方向に沿った外側の端部と、が交差する点を第１点（Ｐ１）とし、
   前記第１領域のうち、前記チューブの長手方向に沿った外側の端部であり、且つ前記幅方向に沿った前記第１点側の端部となる点を第２点（Ｐ２）としたときに、
   前記第１点と前記第２点を繋ぐ直線の、前記チューブの長手方向に対してなす角度が、４５度以上である、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記チューブは、互いに対向する一対の平板状に形成された平板部（１３１，２３１）と、それぞれの前記平板部の前記幅方向に沿った端部同士を繋ぐように湾曲している湾曲部（１３２，１３３，２３２，２３３）と、を有し、前記平板部の法線方向が前記積層方向に沿うように配置されたものであり、
   前記第１領域と前記第２領域との境界が、前記幅方向に沿って、前記平板部と前記湾曲部との境界、よりも前記平板部側となる位置に配置されている、請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記第１領域と前記第２領域との境界と、前記平板部と前記湾曲部との境界と、の間の前記幅方向に沿った距離が３ｍｍ以内である、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記バーリング部のうち、前記チューブの幅方向に沿った端部を含む所定範囲には切り欠き（４１５）が形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記チューブは、互いに対向する一対の平板状に形成された平板部と、それぞれの前記平板部の前記幅方向に沿った端部同士を繋ぐように円弧状に湾曲している円弧部（１３２，２３２）と、を有し、前記平板部の法線方向が前記積層方向に沿うように配置されたものであり、
   前記所定範囲は、前記円弧部と対向する部分のうちの少なくとも一部である、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記チューブの長手方向に沿って見た場合において、
   前記所定範囲が、
   前記円弧部の曲率の中心を基準とした際に、前記幅方向に沿った前記チューブの端部となる点を挟む両側４５度以内の範囲、として設定されている、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記バーリング部の先端には、前記チューブ側に行くほど前記タンク側に近づくような面取り（４１４）が施されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 前記バーリング部は、前記タンクとは別の部品として形成された後に、前記タンクに対して接合されたものである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器。

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