JP2023148214A - 熱交換器の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートとの接合部に亀裂が生じることを防止する補強部材を用いた熱交換器の補強構造の提供。【解決手段】 補強部材５のベンド部５ｃが、平坦部５ａの偏平チューブ１の長手方向の幅より短くされた切欠き部５ｄを具備し、その切欠き部５ｄの端縁５ｄｄが、チューブ挿通孔３ａにおけるヘッダプレート３の熱交換器コアの中心側の面と偏平チューブ１の外面の交点４ｂより、前記熱交換器コアの中心側に位置し、前記交点４ｂから、前記補強部材５の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの前記長手方向への長さｘが、０．３ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍの範囲にあることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、チャージエアクーラ等の熱交換器に最適なものであって、偏平チューブの内部に高温の流体が流通し、特に偏平チューブとヘッダプレートとの接合部に亀裂が生じることを防止するものである。
この種の熱交換器は偏平チューブとコルゲートフィンとが交互に積層され、熱交換器コアを形成し、その熱交換器コアの両側にはコアサポートが接合されている。偏平チューブ内にチャージエア等の高温の第１流体が流通し、その外面側及びコルゲートフィンに空気流等の第２流体が流通し、両者間に熱交換が行われる。
偏平チューブの内部に高温の第１流体が流通すると、偏平チューブはその長手方向に伸長する。ところが、低温環境下では、内部に高温の第１流体が流れる際、コアサポートと偏平チューブに温度差が生じ、熱膨張差が生じる。高温となった偏平チューブはその長手方向に伸びようとするが、コアサポートにより前記長手方向への伸びを制限され、接合部付近で曲がろうとする力が発生する。そのため、偏平チューブの接合部付近が曲がろうとする。そして、コアサポートに近い、偏平チューブの並列方向の端部における少なくとも１列の偏平チューブに大きな熱応力が加わり、偏平チューブとヘッダプレートとの接合部に亀裂が生じる。

前述のように、偏平チューブを用いた熱交換器の破壊形態として、偏平チューブの長手方向の端部に、熱応力による亀裂に伴う、第１流体の洩れが生じる。この対策として偏平チューブの開口部に、補強部材を挿入して、偏平チューブの曲げを防ぎ、亀裂を防止する提案が、下記特許文献１その他に記載されている。
一例として図６Ａに示す如く、従来の補強部材７は、平坦部７ａとその両端に曲折する一対の折返し部７ｂと、平坦部７ａの間に曲折されたベンド部７ｃと、各折返し部７ｂの上縁に設けられた一対ずつの鍔部７ｅとを有する。
このようにしてなる従来の補強部材７は、図６Ｂに示す如く、ヘッダプレート３の端部に位置する偏平チューブ１の上下両端に挿入され、ベンド部７ｃが偏平チューブ１の長辺部１ａに接触する。この状態で従来の補強部材７と偏平チューブ１との間及び偏平チューブ１とヘッダプレート３との間が夫々一体にろう付固定される。

特許第５７０６６６６号明細書

図６Ａに示す従来の補強構造は、図６Ｂのように前記長手方向と平行に従来の補強部材７が偏平チューブ１に差し込まれていることが望ましいが、その補強部材７や偏平チューブ１の出来により、従来の補強部材７の差し込み時に、図６Ｃのように従来の補強部材７、偏平チューブ１が傾き、図６Ｃのようにベンド部７ｃの先端部のみが偏平チューブ１と接触した状態で接合し、低温環境下で高温の第１流体が流れて、熱応力が発生したときに、応力集中を招く。
または、図６Ｄのように従来の補強部材７のベンド部７ｃの先端が、偏平チューブ１の内面を強く押して、偏平チューブ１を変形させてしまう。そして、偏平チューブ１の変形部９に応力が集中する。

その結果、従来の補強部材７のベンド部７ｃの先端部付近で、偏平チューブ１に亀裂９ａが生じ、第１流体の洩れを起こす虞があった。
そこで、本発明は係る問題点を解決することを課題とする。

本発明は、互いに離間して平行に並列された多数の偏平チューブ１と、各偏平チューブ１の両端部がチューブ挿通孔３ａに挿通された一対のヘッダプレート３と、を有し、偏平チューブ１とヘッダプレート３との間がろう付されるアルミニウム製またはアルミニウム合金製の熱交換器コアであって、
前記偏平チューブ１の板厚が、０．３ｍｍ～０．６ｍｍ、前記ヘッダプレート３の板厚が１．５ｍｍ～３．５ｍｍ、であり、
前記偏平チューブ１は、その長手方向に直交する横断面が一対の対向する長辺部１ａと、各長辺部１ａの両端間を連結する一対の短辺部１ｂと、を有し、
少なくとも１本の偏平チューブ１の長手方向の端部の内側に補強部材５が挿入され、
前記補強部材５は、長辺部１ａに略整合する平坦部５ａとその両端に曲折されて短辺部１ｂに略整合する一対の折返し部５ｂと、前記平坦部５ａで前記長辺部１ａに接し、前記長手方向に直交する横断面が弧状のベンド部５ｃとを有して、前記偏平チューブ１の長辺部１ａと短辺部１ｂとの内面を補強する熱交換器の補強構造において、
前記補強部材５の前記ベンド部５ｃが、前記平坦部５ａの前記長手方向の幅より短くされた切欠き部５ｄを具備し、
その切欠き部５ｄの端縁５ｄｄが、チューブ挿通孔３ａにおけるヘッダプレート３の前記熱交換器コアの中心側の面と偏平チューブ１の外面の交点４ｂより、前記熱交換器コアの中心側に位置し、
前記交点４ｂから、前記補強部材５の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの前記長手方向への長さｘが、
０．３ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍ
の範囲にある熱交換器の補強構造である。（請求項１参照。）

本発明は、前記長さｘを、
０．７ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍ
の範囲とすることができる。（請求項２参照。）

本発明は、熱交換器をチャージエアクーラとすることができる。（請求項３参照。）

本発明は、偏平チューブ１の板厚が、０．３ｍｍ～０．６ｍｍ、ヘッダプレート３の板厚が１．５ｍｍ～３．５ｍｍの熱交換器コアにおいて、従来の補強部材７のベンド部７ｃに切欠き部５ｄを設け、その端縁５ｄｄを、チューブ挿通孔３ａにおけるヘッダプレート３の前記熱交換器コアの中心側の面と偏平チューブ１の外面の交点４ｂに近づけるものである。
前記ヘッダプレート３と偏平チューブ１との接合部４の交点４ｂから、前記補強部材５の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの前記長手方向への長さｘを、０．３ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍの範囲にしたものである。ここで、図５Ａの実線の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄは、長さｘが０．３ｍｍとなる端縁５ｄｄの位置を示し、破線の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄは、長さｘが２．７ｍｍとなる端縁５ｄｄの位置を示している。（同図は、平坦部５ａの図示を省略）（請求項１参照。）

長さｘの上限を２．７ｍｍ以下とすることで、ベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄが、偏平チューブ１内に深く差し込まれることを防ぐ。これにより、補強部材５の差込みの際、補強部材５および偏平チューブ１が傾いて、ベンド部５ｃの先端部のみが偏平チューブ１と接触した状態で接合しても、低温環境下で、内部に高温の第１流体が流れるときのベンド部５ｃの発生応力を低減できる。また、ベンド部５ｃの先端が、偏平チューブ１の内面を強く押すことを防止でき、偏平チューブ１の変形を防ぐことができる。
図５Ｃが示すように、長さｘが２．７ｍｍを超える範囲では、低温環境下で、内部に高温の第１流体が流れるときのベンド部５ｃの発生応力は、偏平チューブ１の短辺部１ｂでの発生応力よりも高くなる。それに対して、長さｘの上限を２．７ｍｍ以下としたときは、偏平チューブ１と補強部材５のベンド部５ｃの接合部に生じる応力を、短辺部１ｂに発生する応力（１００％）に比べ、それより小さく抑えることができ、補強効果を得られる。
一方で端縁５ｄｄの位置と、ヘッダプレート３の接合による偏平チューブ１の剛性の高まった位置とが重なることで、より剛性が高まる部分が生じるとともに、ヘッダプレート３とベンド部５ｃのいずれにも接していない偏平チューブ１の部分が生じ、これらの部位が隣接する。すると、熱交換器が高温状態となったとき、その剛性の高い部分と低い部分の境目に応力が集中する。
長さｘの下限を０．３ｍｍ以上とすることで、図５Ａに記載のように、切欠き部５ｄの端縁５ｄｄの位置を接合部４の交点４ｂよりコアの中心側に位置させることにより、剛性変化を小さくし、熱交換器が高温状態となったときの応力集中を低減することで、亀裂の発生を防止できる。
図５Ｂに示すように、長さｘが０ｍｍ～０．３ｍｍ未満の範囲では、長さｘが０に近づくと急激に応力が上昇するが、長さｘの下限を０．３ｍｍ以上とすることで、応力集中を避けることができる。

本発明は、前記長さｘを、
０．７ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍの範囲とすることができる。（請求項２参照。）
これにより、長さｘの下限を０．３ｍｍより大きくし、切欠き部５ｄの端縁５ｄｄの位置を接合部４の交点４ｂよりコアの中心側に位置させることにより、熱交換器が高温状態となったとき、さらに応力集中を避けることができる。また、ろう付により、前記ヘッダプレート３と偏平チューブ１との接合部４にはろう材によるフィレット部４ａが形成されるが、偏平チューブ１の板厚が、０．３ｍｍ～０．６ｍｍ、前記ヘッダプレート３の板厚が１．５ｍｍ～３．５ｍｍの熱交換器であれば、長さｘの下限を０．７ｍｍとすることで、フィレット部４ａによる剛性増大を考慮しても、応力集中を軽減できる。

本発明は、チャージエアクーラに適用することができる。（請求項３参照。）
従って、チャージエアクーラにおいても、上記請求項１、請求項２に記載の発明の効果を得ることができる。

本発明の熱交換器の補強構造の要部分解斜視図。 図１のＩＩ－ＩＩ線断面図。 図２の要部拡大図。 図３ＡのＢ部拡大図。 本発明の補強部材５の正面図。 同底面図。 接合部４の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの各長さｘの説明図。 接合部４の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの長さｘと、熱交換器が高温となり、長さｘが長い時の応力に対するベンド部５ｃでの発生応力比との関係図。 接合部４の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの長さｘと、低温環境下での短辺部１ｂでの発生応力に対するベンド部５ｃでの発生応力との比率との関係図。 従来の補強部材７の斜視図であって、それを熱交換器の偏平チューブ１の端部に挿入する説明図。 図６ＡのＢ－Ｂ矢視断面図。 図６Ｂと同部位において、偏平チューブ１と、その端部に設けられた従来の補強部材７が挿入時に傾いたときに形成される隙間８の説明図。 図６Ｂと同部位において、従来の補強部材７のベンド部７ｃの先端が、偏平チューブ１を変形させた説明図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器の補強構造の要部分解斜視図であり、図２は図１のＩＩ－ＩＩ線断面図、図３Ａは、図２の要部拡大図であり、図３Ｂは、図３ＡのＢ部拡大図であり、図４Ａは同実施例に使用される補強部材５の正面図、図４Ｂはその底面図である。
この実施例の補強部材５は、図４Ａに示す如く、平坦部５ａを有し、平坦部５ａの両端に偏平チューブ１の短辺部１ｂに略整合する一対の折返し部５ｂが形成され、図４Ｂに示す如く、平坦部５ａの中央に曲折されたベンド部５ｃが形成されている。折返し部５ｂには、偏平チューブ１の短辺部１ｂの近傍に補強部材５をひっかけるための鍔部５ｅが形成されている。

この実施例の補強部材５が、公知の図６Ａ～図６Ｄに示す従来の補強部材７と異なる点は、図４Ａに示す如く、平坦部５ａの中央に曲折されたベンド部５ｃの一部が切り欠かれた切欠き部５ｄが形成されている点である。つまり、図２、図３Ａ，図３Ｂに示す如く、補強部材５を偏平チューブ１に挿入した状態で熱交換器のコアの中心側に、切欠き部５ｄが形成されている。なお、図３Ａ、図３Ｂは、補強部材５の平坦部５ａの図示を省略して記載している。

この実施例の熱交換器は、図１に示す如く、偏平チューブ１とコルゲート状のフィン２とが交互に積層されコアを形成し、そのコアの両側にはコアサポート６が接合されている。
また、各偏平チューブ１の両端はヘッダプレート３のチューブ挿通孔３ａに挿通される。このチューブ挿通孔３ａの孔縁部は、熱交換器コアの中心側とは反対側に突出するバーリング部３ａａを有する。
そして、偏平チューブ１とヘッダプレート３の接続部４の交点４ｂには、図３Ｂに示す如く、フィレット部４ａが形成される。

前述の補強部材５は、偏平チューブ１の並列方向の端部に位置する偏平チューブ１の開口に挿入される。補強部材５の挿入の際、補強部材５の両端部の折返し部５ｂの間がベンド部５ｃ側に向けて圧縮された状態で、偏平チューブ１の開口に挿入され、圧縮された状態を開放することにより、折返し部５ｂが偏平チューブ１の短辺部１ｂに接する。
補強部材５のベンド部５ｃは、図２に示す如く、偏平チューブ１の長辺部１ａに接する。
この状態で、各部品の接触部間が一体にろう付される。

図５Ａは、接合部４の熱交換器コア側の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄの各偏平チューブ１の長手方向への長さｘの説明図であり、図５Ｂは、接合部４の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの偏平チューブ１の長手方向への長さｘと、前記長さｘが長い時の応力に対するベンド部５ｃでの発生応力比との関係図であり、図５Ｃは、接合部４の交点４ｂからベンド部５ｃの切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの長さｘと、低温環境下で偏平チューブ１の内部に高温の第１流体が流通するときの短辺部１ｂでの発生応力に対するベンド部５ｃでの発生応力との比率との関係図である。
なお、図５Ａは、補強部材５の平坦部５ａの図示を省略して記載している。
図５Ａから図５Ｃは、接合部４の交点４ｂに形成されるフィレット部４ａを考慮していない。ヘッダプレート３と偏平チューブ１との接合部４の交点４ｂに形成されるフィレット部４ａを除いた前記熱交換器コアの中心側の交点４ｂから、補強部材５の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの偏平チューブ１の長手方向への長さｘの関係を示している。
図５Ａに記載のように、補強部材５は、その切欠き部５ｄの端縁５ｄｄの位置を、偏平チューブ１とヘッダプレート３の接合部４のコアの中心側の交点４ａの位置からさらにコアの中心側に位置して挿入されている。ここで、図５Ａの実線は、長さｘが０．３ｍｍとなる端縁５ｄｄの位置を示し、破線は、長さｘが２．７ｍｍとなる端縁５ｄｄの位置を示している。
０．３ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍの範囲で、応力集中が緩和する。

図５Ｂに示すように、長さｘが０ｍｍ～０．３ｍｍ未満の範囲では、長さｘが０に近づくと熱交換器が高温状態となったときのベンド部５ｃの応力が急激に上昇するが、ｘの下限を０．３ｍｍ以上とすることで、剛性の急激な変化を避けることができる。
また、図５Ｃが示すように、長さｘが２．７ｍｍを超える範囲では、偏平チューブ１の短辺部１ｂよりも応力が高くなり、その部分に発生する低温環境下で偏平チューブ１の内部に高温の第１流体が流通するときの熱応力が大きくなる。長さｘの上限を２．７ｍｍ以下としたときは、偏平チューブ１と補強部材５のベンド部５ｃの接合部に生じる応力を、短辺部１ｂに発生する応力（１００％）に比べ、それより小さく抑えることができる。
これにより、偏平チューブ１と補強部材５のベンド部５ｃに生じる、剛性変化に基づく応力集中を避け、亀裂の発生を防止する。
それと共に、本発明のベンド部５ｃの発生応力を、従来の補強部材７のベンド部７ｃの発生応力に比べ、より小さく抑えることができ、熱応力による偏平チューブ１の変形を小さくして、補強効果を維持できる。

本実施例の長さｘの値の範囲は、０．７ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍとすることができる。
これにより、長さｘの下限を０．３ｍｍより大きくし、補強部材５による偏平チューブ１端部の剛性の変化位置をずらすことで、熱交換器が高温状態となったときに発生する応力集中をさらに避けることができる。また、ろう付により、前記ヘッダプレート３と偏平チューブ１との接合部４にはろう材によるフィレット部４ａが形成されるが、
長さｘの下限を０．７ｍｍとすることで、フィレット部４ａによる剛性増大を考慮しても、応力集中を軽減できる。

本発明は、チャージエアクーラ等の熱交換器として利用できる。

１ 偏平チューブ
１ａ 長辺部
１ｂ 短辺部
２ フィン
３ ヘッダプレート
３ａ チューブ挿通孔
３ａａ バーリング部
４ 接合部
４ａ フィレット部
４ｂ 交点
５ 補強部材
５ａ 平坦部
５ｂ 折返し部
５ｃ ベンド部
５ｄ 切欠き部
５ｄｄ 端縁
５ｅ 鍔部

６ コアサポート
７ 従来の補強部材
７ａ 平坦部
７ｂ 折返し部
７ｃ ベンド部
７ｅ 鍔部
８ 隙間
９ 変形部
９ａ 亀裂
ｘ 熱交換器コアの中心側の面と偏平チューブ１の外面の交点４ｂから、補強部材５の切欠き部５ｄの端縁５ｄｄまでの偏平チューブ１の長手方向への長さ

Claims (3)

1. 互いに離間して平行に並列された多数の偏平チューブ（１）と、各偏平チューブ（１）の両端部がチューブ挿通孔（３ａ）に挿通された一対のヘッダプレート（３）と、を有し、偏平チューブ（１）とヘッダプレート（３）との間がろう付されるアルミニウム製またはアルミニウム合金製の熱交換器コアであって、
   前記偏平チューブ（１）の板厚が、０．３ｍｍ～０．６ｍｍ、前記ヘッダプレート（３）の板厚が１．５ｍｍ～３．５ｍｍ、であり、
   前記偏平チューブ（１）は、その長手方向に直交する横断面が一対の対向する長辺部（１ａ）と、各長辺部（１ａ）の両端間を連結する一対の短辺部（１ｂ）と、を有し、
   少なくとも１本の偏平チューブ（１）の長手方向の端部の内側に補強部材（５）が挿入され、
   前記補強部材（５）は、長辺部（１ａ）に略整合する平坦部（５ａ）とその両端に曲折されて短辺部（１ｂ）に略整合する一対の折返し部（５ｂ）と、前記平坦部（５ａ）で前記長辺部（１ａ）に接し、前記長手方向に直交する横断面が弧状のベント部（５ｃ）とを有して、前記偏平チューブ（１）の長辺部（１ａ）と短辺部（１ｂ）との内面を補強する熱交換器の補強構造において、
   前記補強部材（５）の前記ベント部（５ｃ）が、前記平坦部（５ａ）の前記長手方向の幅より短くされた切欠き部（５ｄ）を具備し、
   その切欠き部（５ｄ）の端縁（５ｄｄ）が、チューブ挿通孔（３ａ）におけるヘッダプレート（３）の前記熱交換器コアの中心側の面と偏平チューブ（１）の外面の交点（４ｂ）より、前記熱交換器コアの中心側に位置し、
   前記交点（４ｂ）から、前記補強部材（５）の切欠き部（５ｄ）の端縁（５ｄｄ）までの前記長手方向への長さｘが、
   ０．３ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍ
   の範囲にある熱交換器の補強構造。
2. 請求項１に記載の熱交換器の補強構造において、
   前記長さｘが、
   ０．７ｍｍ≦ｘ≦２．７ｍｍ
   の範囲にある熱交換器の補強構造。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器の補強構造において、
   熱交換器は、チャージエアクーラである補強構造。

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