JP4107051B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に関するものであり、例えば超臨界冷凍サイクル装置内に設けられるガスクーラや蒸発器等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換器として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。これは２つのヘッダタンク１４０（特許文献１中ではヘッダパイプ）間に複数のチューブ１１０が接続される熱交換器に関するものであり、図１６に示すように、ヘッダタンク１４０をタンク部１５０とプレート部１６０から構成し、プレート部１６０にチューブ挿入孔１６１を設け、タンク部１５０にチューブ先端部１１１ａが当接する傾斜面１５５を設けたものとしている。そして、チューブ１１０の挿入寸法Ｌｔをチューブ先端部１１１ａからタンク天井部１５３までの寸法Ｌｓよりも小さくなるようにしている。
【０００３】
これにより、チューブ１１０をヘッダタンク１４０に組付ける際に、チューブ先端部１１１ａがタンク部１５０の傾斜面１５５に当接することで専用の位置決め治具を不要とし、またチューブ１１０自身に位置決め用の形状加工を不要としている。更には、寸法Ｌｔ＜寸法Ｌｓとすることで、ヘッダタンク１４０内の流通抵抗を減少してタンク部１５０の横断面積の縮小化を可能にするとしている。
【０００４】
【特許文献１】
実開平２−１０９１８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘッダタンク１４０内には依然としてチューブ先端部１１１ａが挿入寸法Ｌｔを持って存在するので、内部流体の流通時における流通抵抗をもたらすことになり、タンク部１５０の横断面積の縮小化には自ずと限界が生ずる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ヘッダタンク内の流通抵抗を低減して、更にヘッダタンクの小型化を可能とする熱交換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、複数積層されるチューブ（１１０）と、内部を流体が流通する流通部（１５１）が形成されて、チューブ（１１０）の積層方向に延びる一対のヘッダタンク（１４０）とを有し、一対のヘッダタンク（１４０）にチューブ（１１０）の長手方向における両チューブ端部（１１１）が接合されて、ヘッダタンク（１４０）の流通部（１５１）およびチューブ（１１０）の内部とが互いに連通する熱交換器において、
ヘッダタンク（１４０）は、
断面がＵ字状を成し、このＵ字状の開口側端部から外側横方向へ折れ曲がって延びるフランジ部を備えるようにプレス加工によって形成されると共に、Ｕ字状断面の内部を流通部（１５１）とするタンク部（１５０）と、
タンク部（１５０）のフランジ部側に配置されると共に、チューブ端部（１１１）が接合される板状のプレート部（１６０）と、
板状を成してチューブ端部（１１１）に対応する位置にプレート孔（１７１）が設けられると共に、タンク部（１５０）とプレート部（１６０）との間に介在されて、フランジ部とプレート部（１６０）とに当接する部位で接合される中間プレート部（１７０）とから成り、
チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、プレート孔（１７１）に設けられた位置規制部（１７２）によって、中間プレート部（１７０）の板厚途中で位置規制され、
タンク部（１５０）のＵ字状の開口側となる開口部（１５２ｃ）とプレート孔（１７１）とによって、流通部（１５１）およびチューブ（１１０）の内部とが互いに連通する連通部が形成され、
チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、流通部（１５１）の外側の領域に設けられ、
ヘッダタンク（１４０）の幅方向におけるタンク部（１５０）の内壁の幅寸法は、チューブ端部（１１１）の幅寸法よりも小さくなるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、ヘッダタンク（１４０）の流通部（１５１）を流れる流体に対してチューブ端部（１１１）による流れの乱れを無くして流通抵抗を低減することができるので、その分だけ流通部（１５１）を小さくでき、特許文献１の従来技術に対して更にヘッダタンク（１４０）の小型化が可能となる。
【００１０】
また、流通部（１５１）の小型化に伴って、流通部（１５１）内の表面積が小さくなり、流体の内圧による流通部（１５１）の壁部（１５４）断面にかかる破断力（引張り力）を低減でき、耐圧強度を向上できる。
【００１２】
また、ヘッダタンク（１４０）が一体の場合では、チューブ（１１０）の接合部と連通部を併せ持った複雑な形状加工を必要とするものに対して、タンク部（１５０）とプレート部（１６０）と中間プレート部（１７０）との別体とすることで、タンク部（１５０）、プレート部（１６０）および中間プレート部（１７０）のそれぞれに単純な形状加工を施すことで対応が可能となり、全体の加工が容易になる。
また、タンク部（１５０）は、プレス成形により形成されるようにすることで、安価にできる。
また、タンク部（１５０）の断面をＵ字状にすることで、流通部（１５１）内における流体による内圧を均等に分散させ、また、応力集中の発生を防止できるのでヘッダタンク（１４０）の耐圧強度を更に向上することができる。
【００２２】
また、プレート孔（１７１）に、中間プレート部（１７０）の板厚途中でチューブ端部（１１１）の位置を規制する位置規制部（１７２）を設けるようにすることで、チューブ端部（１１１）の位置決めのためのチューブ形状や専用治具を不要とすると共に、チューブ端部（１１１）の開口部のほぼ全領域が流通部（１５１）と繋がるので、チューブ端部（１１１）における流体の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００２３】
この時、請求項２に記載の発明のように、中間プレート部（１７０）は、表面にろう材を有さないベア材から成るようにしてやれば、ろう付けをする際にチューブ端部（１１１）からチューブ（１１０）内に直接ろう材が侵入することを防止でき、ろう材詰まりを起こすことがない。
【００２４】
更に、請求項３に記載の発明のように、プレート孔（１７１）は、チューブ端部（１１１）の断面形状よりも大きくなるようにしてやれば、チューブ端部（１１１）の開口部と連通部（１５１）との間に隙間が確保でき、更に、チューブ端部（１１１）における流体の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００２９】
尚、請求項４に記載の発明のように、流通部（１５１）およびチューブ（１１０）は、ヘッダタンク（１４０）の幅方向に複数設けられるようにしても良い。
【００３０】
また、請求項５に記載の発明のように、流体はＣＯ２冷媒とすれば、超臨界冷凍サイクル装置等の高圧条件となるシステムに用いて好適となる。
【００３１】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に示す。ここでは、熱交換器としてＣＯ２を冷媒（流体）とする超臨界冷凍サイクル装置内のガスクーラ１００に適用したものとしており、まず図１を用いてその全体構成について説明する。
【００３３】
因みに、超臨界冷凍サイクルとは、上記ＣＯ２の他にエチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする冷凍サイクルであって、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上になるものを言う。
【００３４】
ガスクーラ１００は、コア部１０１および左右のヘッダタンク１４０から構成され、これらを構成する各部材（以下説明）は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、嵌合、かしめ、治具固定等により組付けられ、各部材表面の必要部位に予め設けられたろう材により一体でろう付けされている。
【００３５】
コア部１０１は、内部を冷媒が流通する複数のチューブ１１０および波形に形成された複数のフィン１２０が交互に積層され、上下の最外方フィン１２０の更に外方に断面コの字状に開口する強度部材としてのサイドプレート１３０が配設されたものであり、一体でろう付けされている。
【００３６】
このコア部１０１の図中左右部、即ち、複数のチューブ１１０の長手方向におけるチューブ端部１１１に、チューブ１１０の積層方向に延びる一対のヘッダタンク１４０が設けられている。
【００３７】
ヘッダタンク１４０には各チューブ端部１１１が接合され、ヘッダタンク１４０の内部に設けられた流通部１５１とチューブ１１０の内部とが互いに連通するようにろう付けされている。尚、ヘッダタンク１４０とチューブ１１０との接合構造は、本発明の特徴部としており、詳細については後述する。
【００３８】
そして、両ヘッダタンク１４０の長手方向端部には、エンドキャップ１８０がろう付けされ、流通部１５１によって形成される開口部を閉塞するようにしている。
【００３９】
また、図中左側のヘッダタンク１４０内には、内部の流通部１５１を仕切るセパレータ１４１がろう付けされている。そして、左側のヘッダタンク１４０のセパレータ１４１よりも上側には入口ジョイント１９１が、また下側には出口ジョイント１９２がそれぞれろう付けされ、左側のヘッダタンク１４０内の流通部１５１と連通するようにしている。
【００４０】
次に、図２〜図４を用いて本発明の要部について詳細説明する。まず、ヘッダタンク１４０は、ここでは外形断面が三角状を成すものとしており、長手方向に冷媒が流通する流通部１５１が設けられている。この流通部１５１を有するヘッダタンク１４０は、押し出し加工により容易に成形可能であり、流通部１５１の断面形状は円形状となるようにしている。
【００４１】
そして、ヘッダタンク１４０のチューブ１１０側の面には、各チューブ端部１１１の位置に対応するように、チューブ端部１１１が挿入されるチューブ挿入孔１５６が設けられている。更には、このチューブ挿入孔１５６から流通部１５１に滑らかに繋がって、チューブ挿入孔１５６と流通部１５１とを連通させる連通部１５２が設けられている。
【００４２】
一方、チューブ１１０は、断面が扁平状を成し、上記ヘッダタンク１４０同様に、押し出し加工により成形され、内部には扁平状の長辺方向に並ぶ複数の流通路を有している（図示せず）。また、チューブ端部１１１の長辺方向端部には、切欠き部１１２が設けられている。
【００４３】
そして、チューブ端部１１１がヘッダタンク１４０のチューブ挿入孔１５６に挿入され、ろう付けにより接合されている。この時、チューブ端部１１１の先端位置ａは、流通部１５１の外側の領域に設けられるようにしている。即ち、チューブ１１０に設けられた切欠き部１１２がヘッダタンク１４０のチューブ側の面に当接することにより、先端位置が規制されて流通部１５１内に入らないようにしている。
【００４４】
更に、チューブ端部１１１が流通部１５１の領域に入らないようにしたことによって、ヘッダタンク１４０の流通部１５１の内壁幅寸法ｂは、接合されるチューブ端部１１１のヘッダタンク１４０幅方向寸法ｃよりも小さくなるようにしている。
【００４５】
以上のように構成されるガスクーラ１００においては、図１中の入口ジョイント１９１が、図示しない圧縮機の吐出側と接続され、また、出口ジョイント１９２が、図示しない膨張弁と接続される。そして、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒は、入口ジョイント１９１から左側のヘッダタンク１４０内に流入し、セパレータ１４１の上側のチューブ１１０群を流れ、右側のヘッダタンク１４０内に流入し、Ｕターンしてセパレータ１４１の下側のチューブ１１０群を流れ、出口ジョイント１９２から流出する。この間に冷媒は、コア部１０１において外部空気と熱交換されて冷却される。
【００４６】
本発明においては、チューブ端部１１１がヘッダタンク１４０の流通部１５１の領域に入らないようにしているので、流通部１５１を流れる冷媒に対してチューブ端部１１１による流れの乱れを無くして流通抵抗を低減することができる。よって、その分だけ流通部１５１を小さくでき、特許文献１の従来技術に対して更にヘッダタンク１４０の小型化が可能となる。
【００４７】
また、流通部１５１の小型化に伴って、流通部１５１内の表面積が小さくなり、冷媒の内圧による流通部１５１の壁部１５４（図３）の断面にかかる破断力（引張り力）を低減でき、耐圧強度を向上できる。
【００４８】
更に、流通部１５１の断面形状を円形状としているので、流通部１５１内における冷媒による内圧を分散させ、また、応力集中の発生を防止できるのでヘッダタンク１４０の耐圧強度を更に向上することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５〜図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してヘッダタンク１４０をタンク部１５０とプレート部１６０とから構成して、チューブ挿入孔および連通部の形成を容易にしたものとしている。
【００５０】
タンク部１５０は、上記第１実施形態で説明したヘッダタンク１４０をベースにして、幅方向の端部にプレート部１６０によってかしめが成される凹状のかしめ部１５７が設けられ、更にチューブ端部１１１と対応する位置に連通部としての凹部１５２ａが設けられたものとしている。
【００５１】
この凹部１５２ａは、タンク部１５０におけるプレート部１６０側端面から反プレート部側に向けて流通部１５１の一部に到達するように、切削加工により形成され、タンク部１５０の幅方向に貫通するようにしている。また、凹部１５２ａの底部１５２ｂは、円弧状（Ｒ）に形成されるようにしている。
【００５２】
尚、凹部１５２ａの幅は、チューブ１１０扁平断面の短辺方向の厚さ寸法よりも大きくしている。
【００５３】
一方、プレート部１６０は、板状部材からプレス加工により、断面が爪部１６２を有するコの字状に形成されている。そして、チューブ端部１１１に対応する位置にはチューブ挿入孔１６１が設けられている。
【００５４】
尚、チューブ１１０は、上記第１実施形態と同一仕様としている。
【００５５】
そして、タンク部１５０にプレート部１６０を当接させた後に、プレート部１６０の爪部１６２でタンク部１５０をかしめてヘッダタンク１４０を形成し、チューブ端部１１１をチューブ挿入孔１６１に挿入して、これら各部材を一体でろう付けしている。
【００５６】
この第２実施形態においてもチューブ１１０に設けた切欠き部１１３によってチューブ端部１１１の挿入代は規制され、チューブ１１０の先端位置ａは、タンク部１４０の流通部１５１の領域に入らないようにしている。
【００５７】
これにより、第１実施形態のようにヘッダタンク１４０が一体の場合では、チューブ１１０の接合部と連通部を合せた複雑な形状加工（第１実施形態のチューブ挿入孔１５６および連通部１５２）を必要とするものに対して、タンク部１５０とプレート１６０の別体とすることでタンク部１５０およびプレート部１６０のそれぞれに単純な形状加工を施すことで対応が可能となり、全体の加工が容易になる。
【００５８】
即ち、プレート部１６０においては、チューブ１１０の接合部としてのチューブ挿入孔１６１をプレス加工で形成できる。また、タンク部１５０においては、連通部としての凹部１５２ａをプレート部１６０側からの穴あけ加工や中グリ加工等で容易に形成できる。
【００５９】
また、凹部１５２ａをタンク部１５０の幅方向に貫通するように設け、その幅寸法をチューブ１１０の厚さ寸法よりも大きくしているので、チューブ端部１１１の開口部全領域が凹部１５２ａと隙間を有して繋がることになり、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００６０】
更に、凹部１５２ａの底部１５２ｂを円弧状（Ｒ）にしているので、冷媒の内圧による応力集中を防止し、耐圧強度を向上できる。
【００６１】
尚、上記第２実施形態の変形例として、図８に示すようにタンク部１５０の壁部１５４を流通部１５１に沿って必要最小限に徐肉してやれば、更に軽量化が図れる。
【００６２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図９〜図１１に示す。第３実施形態は、上記第２実施形態の変形例に対して、タンク部１５０の流通部１５１がプレート部１６０側で開口する開口部１５２ｃを設け、プレート部１６０におけるチューブ端部１１１が接合される周囲近傍に反タンク部側に膨出する膨出部１６３を設けるようにしたものである。
【００６３】
尚、開口部１５２ｃは、タンク部１５０の長手方向にわたって形成されるようにしている。また、プレート部１６０の膨出部１６３は、チューブ挿入孔１６１と共にプレス加工により形成されるようにしている。
【００６４】
これにより、タンク部１５０の開口部１５２ｃとプレート部１６０に形成される膨出部１６３によって、上記第２実施形態で説明した連通部、具体的には凹部１５２ａに相当する構成とすることができるので、タンク部１５０への凹部１５２ａの加工を不要として安価にすることができる。
【００６５】
また、チューブ端部１１１が膨出部１６３の内部空間に配置可能となり、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００６６】
更に、チューブ端部１１１のろう付け時に、プレート部１６０とチューブ１１０との接合を安定化させ、チューブ１１０内にろう材が侵入してろう材詰まりを起こすことがない。
【００６７】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１２〜図１４に示す。第４実施形態は、上記第３実施形態に対して、タンク部１５０とプレート部１６０との間に中間プレート部１７０を介在させ、中間プレート部１７０に設けられたプレート孔１７１とタンク部１５０の開口部１５２ｃとによって連通部を形成すると共に、ろう付け時に必要とされるろう材の設定部位に特徴を持たせるようにしたものである。
【００６８】
タンク部１５０は、流通部１５１の断面形状をＵ字状にして、表面に予めろう材がクラッドされた平板部材からのプレス加工によって形成されるものとしている。尚、反プレート部側の天井部１５３側は円形状としている。また、ろう材はプレート部１６０側の面に施されるものとしている。
【００６９】
プレート部１６０は、上記第３実施形態のような膨出部（１６３）は設けずに平板状とし、チューブ挿入孔１６１を設けている。尚、板状部材のプレス加工によって形成されるプレート部１６０（上記第２実施形態で説明）の表裏両面には予めろう材がクラッドされている。
【００７０】
中間プレート部１７０は、タンク部１５０の開口部１５２ｃを有する側の面に沿う長方形の平板部材としており、チューブ端部１１１に対応する位置にプレート孔１７１が設けられている。そして、プレート孔１７１の長手方向端部には板厚の途中でチューブ端部１１１の位置を規制する位置規制部としての段部１７２が設けられている。更に、プレート孔１７１は、チューブ端部１１１の断面形状よりも大きくなるようにしている。具体的には、プレート孔１７１の幅寸法ｅは、チューブ１１０の厚さ寸法（扁平断面の短辺方向の寸法）ｄよりも大きくなるようにしており、ここでは寸法ｅは寸法ｄの約２倍の設定としている。この中間プレート部１７０は、上記タンク部１５０およびプレート部１６０とは異なり、表面にろう材を有さないベア材から成るものとしている。
【００７１】
尚、チューブ端部１１１を中間プレート部１７０の段部１７２によって位置規制することにより、チューブ１１０には上記第１〜第３実施形態で説明した切欠き部（１１２）は廃止している。また、押し出し加工により成形されるチューブ１１０（上記第１実施形態で説明）の表面には、ろう材は設けられていない。
【００７２】
上記タンク部１５０、中間プレート部１７０、プレート部１６０、チューブ１１０は、図１３、図１４に示すように組み付けられ、チューブ端部１１１の先端位置ａは、中間プレート部１７０のプレート孔１７１の段部１７２によって流通部１５１の外側の領域に規制され、また、チューブ端部１１１は、プレート孔１７１の空間内に配置されることになる。そして、タンク部１５０の開口部１５２ｃと中間プレート部１７０のプレート孔１７１とによって連通部が形成され、タンク部１５０およびプレート部１６０に設けられたろう材によって、各部材１５０、１７０、１６０、１１０は一体にろう付けされる。
【００７３】
これにより、上記第３実施形態における膨出部１６３を中間プレート部１７０のプレート孔１７１によって構成でき、加工が容易になる。
【００７４】
また、中間プレート部１７０に段部１７２を設けることによって、チューブ端部１１１位置決めのためのチューブ形状（切欠き部）を不要とすると共に、チューブ端部１１１の開口部のほぼ全領域が流通部１５１と繋がるので、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００７５】
また、中間プレート部１７０のプレート孔１７１をチューブ端部１１１の断面形状よりも大きくなるようにしているので、チューブ端部１１１の開口部と連通部（１５２ｃ、１７１）との間に隙間が確保でき、更に、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００７６】
また、タンク部１５０に開口部１５２ｃを形成することで、プレス成形での加工が可能となり安価にできる。
【００７７】
更に、中間プレート部１７０をベア材としているので、各部材１５０、１７０、１６０、１１０を一体でろう付けする際に、チューブ端部１１１からチューブ１１０内に直接ろう材が侵入することを防止でき、ろう材詰まりを起こすことがない。
【００７８】
（その他の実施形態）
上記第１〜第４実施形態では、ヘッダタンク１４０の流通部１５１は、ヘッダタンク１４０の幅方向に１列設けるものとして説明したが、図１５に示すように、チューブ１１０と共に、複数列設けるものとしても良い。
【００７９】
また、熱交換器として超臨界冷凍サイクル装置内のガスクーラ１００に適用されるものとして説明したが、冷媒を蒸発させる蒸発器に適用しても良い。
【００８０】
更に、ＣＯ２を冷媒とする超臨界冷凍サイクル装置に限らず通常の冷凍サイクルや、その他車両エンジン等に用いられる熱交換器に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるガスクーラの全体構成を示す正面図である。
【図２】第１実施形態におけるヘッダタンクおよびチューブを示す分解斜視図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ部の断面図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ部の断面図である。
【図５】第２実施形態におけるタンク部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図６】第２実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｃ部の断面図である。
【図８】第２実施形態の変形例を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【図９】第３実施形態におけるタンク部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図１０】第３実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図１１】図１０におけるＤ−Ｄ部の断面図である。
【図１２】第４実施形態におけるタンク部、中間プレート部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図１３】第４実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図１４】図１３におけるＥ−Ｅ部の断面図である。
【図１５】その他の実施形態を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【図１６】従来技術を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【符号の説明】
１００ ガスクーラ（熱交換器）
１１０ チューブ
１１１ チューブ端部
１４０ ヘッダタンク
１５０ タンク部
１５１ 流通部
１５２ 連通部
１５２ａ 凹部（連通部）
１５２ｂ 底部
１５２ｃ 開口部（連通部）
１５３ 天井部
１６０ プレート部
１７０ 中間プレート部
１７１ プレート孔（連通部）
１７２ 段部（位置規制部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に関するものであり、例えば超臨界冷凍サイクル装置内に設けられるガスクーラや蒸発器等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換器として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。これは２つのヘッダタンク１４０（特許文献１中ではヘッダパイプ）間に複数のチューブ１１０が接続される熱交換器に関するものであり、図１６に示すように、ヘッダタンク１４０をタンク部１５０とプレート部１６０から構成し、プレート部１６０にチューブ挿入孔１６１を設け、タンク部１５０にチューブ先端部１１１ａが当接する傾斜面１５５を設けたものとしている。そして、チューブ１１０の挿入寸法Ｌｔをチューブ先端部１１１ａからタンク天井部１５３までの寸法Ｌｓよりも小さくなるようにしている。
【０００３】
これにより、チューブ１１０をヘッダタンク１４０に組付ける際に、チューブ先端部１１１ａがタンク部１５０の傾斜面１５５に当接することで専用の位置決め治具を不要とし、またチューブ１１０自身に位置決め用の形状加工を不要としている。更には、寸法Ｌｔ＜寸法Ｌｓとすることで、ヘッダタンク１４０内の流通抵抗を減少してタンク部１５０の横断面積の縮小化を可能にするとしている。
【０００４】
【特許文献１】
実開平２−１０９１８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘッダタンク１４０内には依然としてチューブ先端部１１１ａが挿入寸法Ｌｔを持って存在するので、内部流体の流通時における流通抵抗をもたらすことになり、タンク部１５０の横断面積の縮小化には自ずと限界が生ずる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ヘッダタンク内の流通抵抗を低減して、更にヘッダタンクの小型化を可能とする熱交換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、複数積層されるチューブ（１１０）と、内部を流体が流通する流通部（１５１）が形成されて、チューブ（１１０）の積層方向に延びる一対のヘッダタンク（１４０）とを有し、一対のヘッダタンク（１４０）にチューブ（１１０）の長手方向における両チューブ端部（１１１）が接合されて、ヘッダタンク（１４０）の流通部（１５１）およびチューブ（１１０）の内部とが互いに連通する熱交換器において、
ヘッダタンク（１４０）は、
断面がＵ字状を成し、このＵ字状の開口側端部から外側横方向へ折れ曲がって延びるフランジ部を備えるようにプレス加工によって形成されると共に、Ｕ字状断面の内部を流通部（１５１）とするタンク部（１５０）と、
タンク部（１５０）のフランジ部側に配置されると共に、チューブ端部（１１１）が接合される板状のプレート部（１６０）と、
板状を成してチューブ端部（１１１）に対応する位置にプレート孔（１７１）が設けられると共に、タンク部（１５０）とプレート部（１６０）との間に介在されて、フランジ部とプレート部（１６０）とに当接する部位で接合される中間プレート部（１７０）とから成り、
チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、プレート孔（１７１）に設けられた位置規制部（１７２）によって、中間プレート部（１７０）の板厚途中で位置規制され、
タンク部（１５０）のＵ字状の開口側となる開口部（１５２ｃ）とプレート孔（１７１）とによって、流通部（１５１）およびチューブ（１１０）の内部とが互いに連通する連通部が形成され、
チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、流通部（１５１）の外側の領域に設けられ、
ヘッダタンク（１４０）の幅方向におけるタンク部（１５０）の内壁の幅寸法は、チューブ端部（１１１）の幅寸法よりも小さくなるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、ヘッダタンク（１４０）の流通部（１５１）を流れる流体に対してチューブ端部（１１１）による流れの乱れを無くして流通抵抗を低減することができるので、その分だけ流通部（１５１）を小さくでき、特許文献１の従来技術に対して更にヘッダタンク（１４０）の小型化が可能となる。
【００１０】
また、流通部（１５１）の小型化に伴って、流通部（１５１）内の表面積が小さくなり、流体の内圧による流通部（１５１）の壁部（１５４）断面にかかる破断力（引張り力）を低減でき、耐圧強度を向上できる。
【００１２】
また、ヘッダタンク（１４０）が一体の場合では、チューブ（１１０）の接合部と連通部を併せ持った複雑な形状加工を必要とするものに対して、タンク部（１５０）とプレート部（１６０）と中間プレート部（１７０）との別体とすることで、タンク部（１５０）、プレート部（１６０）および中間プレート部（１７０）のそれぞれに単純な形状加工を施すことで対応が可能となり、全体の加工が容易になる。
また、タンク部（１５０）は、プレス成形により形成されるようにすることで、安価にできる。
また、タンク部（１５０）の断面をＵ字状にすることで、流通部（１５１）内における流体による内圧を均等に分散させ、また、応力集中の発生を防止できるのでヘッダタンク（１４０）の耐圧強度を更に向上することができる。
【００２２】
また、プレート孔（１７１）に、中間プレート部（１７０）の板厚途中でチューブ端部（１１１）の位置を規制する位置規制部（１７２）を設けるようにすることで、チューブ端部（１１１）の位置決めのためのチューブ形状や専用治具を不要とすると共に、チューブ端部（１１１）の開口部のほぼ全領域が流通部（１５１）と繋がるので、チューブ端部（１１１）における流体の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００２３】
この時、請求項２に記載の発明のように、中間プレート部（１７０）は、表面にろう材を有さないベア材から成るようにしてやれば、ろう付けをする際にチューブ端部（１１１）からチューブ（１１０）内に直接ろう材が侵入することを防止でき、ろう材詰まりを起こすことがない。
【００２４】
更に、請求項３に記載の発明のように、プレート孔（１７１）は、チューブ端部（１１１）の断面形状よりも大きくなるようにしてやれば、チューブ端部（１１１）の開口部と連通部（１５１）との間に隙間が確保でき、更に、チューブ端部（１１１）における流体の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００２９】
尚、請求項４に記載の発明のように、流通部（１５１）およびチューブ（１１０）は、ヘッダタンク（１４０）の幅方向に複数設けられるようにしても良い。
【００３０】
また、請求項５に記載の発明のように、流体はＣＯ２冷媒とすれば、超臨界冷凍サイクル装置等の高圧条件となるシステムに用いて好適となる。
【００３１】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に示す。ここでは、熱交換器としてＣＯ２を冷媒（流体）とする超臨界冷凍サイクル装置内のガスクーラ１００に適用したものとしており、まず図１を用いてその全体構成について説明する。
【００３３】
因みに、超臨界冷凍サイクルとは、上記ＣＯ２の他にエチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする冷凍サイクルであって、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上になるものを言う。
【００３４】
ガスクーラ１００は、コア部１０１および左右のヘッダタンク１４０から構成され、これらを構成する各部材（以下説明）は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、嵌合、かしめ、治具固定等により組付けられ、各部材表面の必要部位に予め設けられたろう材により一体でろう付けされている。
【００３５】
コア部１０１は、内部を冷媒が流通する複数のチューブ１１０および波形に形成された複数のフィン１２０が交互に積層され、上下の最外方フィン１２０の更に外方に断面コの字状に開口する強度部材としてのサイドプレート１３０が配設されたものであり、一体でろう付けされている。
【００３６】
このコア部１０１の図中左右部、即ち、複数のチューブ１１０の長手方向におけるチューブ端部１１１に、チューブ１１０の積層方向に延びる一対のヘッダタンク１４０が設けられている。
【００３７】
ヘッダタンク１４０には各チューブ端部１１１が接合され、ヘッダタンク１４０の内部に設けられた流通部１５１とチューブ１１０の内部とが互いに連通するようにろう付けされている。尚、ヘッダタンク１４０とチューブ１１０との接合構造は、本発明の特徴部としており、詳細については後述する。
【００３８】
そして、両ヘッダタンク１４０の長手方向端部には、エンドキャップ１８０がろう付けされ、流通部１５１によって形成される開口部を閉塞するようにしている。
【００３９】
また、図中左側のヘッダタンク１４０内には、内部の流通部１５１を仕切るセパレータ１４１がろう付けされている。そして、左側のヘッダタンク１４０のセパレータ１４１よりも上側には入口ジョイント１９１が、また下側には出口ジョイント１９２がそれぞれろう付けされ、左側のヘッダタンク１４０内の流通部１５１と連通するようにしている。
【００４０】
次に、図２〜図４を用いて本発明の要部について詳細説明する。まず、ヘッダタンク１４０は、ここでは外形断面が三角状を成すものとしており、長手方向に冷媒が流通する流通部１５１が設けられている。この流通部１５１を有するヘッダタンク１４０は、押し出し加工により容易に成形可能であり、流通部１５１の断面形状は円形状となるようにしている。
【００４１】
そして、ヘッダタンク１４０のチューブ１１０側の面には、各チューブ端部１１１の位置に対応するように、チューブ端部１１１が挿入されるチューブ挿入孔１５６が設けられている。更には、このチューブ挿入孔１５６から流通部１５１に滑らかに繋がって、チューブ挿入孔１５６と流通部１５１とを連通させる連通部１５２が設けられている。
【００４２】
一方、チューブ１１０は、断面が扁平状を成し、上記ヘッダタンク１４０同様に、押し出し加工により成形され、内部には扁平状の長辺方向に並ぶ複数の流通路を有している（図示せず）。また、チューブ端部１１１の長辺方向端部には、切欠き部１１２が設けられている。
【００４３】
そして、チューブ端部１１１がヘッダタンク１４０のチューブ挿入孔１５６に挿入され、ろう付けにより接合されている。この時、チューブ端部１１１の先端位置ａは、流通部１５１の外側の領域に設けられるようにしている。即ち、チューブ１１０に設けられた切欠き部１１２がヘッダタンク１４０のチューブ側の面に当接することにより、先端位置が規制されて流通部１５１内に入らないようにしている。
【００４４】
更に、チューブ端部１１１が流通部１５１の領域に入らないようにしたことによって、ヘッダタンク１４０の流通部１５１の内壁幅寸法ｂは、接合されるチューブ端部１１１のヘッダタンク１４０幅方向寸法ｃよりも小さくなるようにしている。
【００４５】
以上のように構成されるガスクーラ１００においては、図１中の入口ジョイント１９１が、図示しない圧縮機の吐出側と接続され、また、出口ジョイント１９２が、図示しない膨張弁と接続される。そして、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒は、入口ジョイント１９１から左側のヘッダタンク１４０内に流入し、セパレータ１４１の上側のチューブ１１０群を流れ、右側のヘッダタンク１４０内に流入し、Ｕターンしてセパレータ１４１の下側のチューブ１１０群を流れ、出口ジョイント１９２から流出する。この間に冷媒は、コア部１０１において外部空気と熱交換されて冷却される。
【００４６】
本発明においては、チューブ端部１１１がヘッダタンク１４０の流通部１５１の領域に入らないようにしているので、流通部１５１を流れる冷媒に対してチューブ端部１１１による流れの乱れを無くして流通抵抗を低減することができる。よって、その分だけ流通部１５１を小さくでき、特許文献１の従来技術に対して更にヘッダタンク１４０の小型化が可能となる。
【００４７】
また、流通部１５１の小型化に伴って、流通部１５１内の表面積が小さくなり、冷媒の内圧による流通部１５１の壁部１５４（図３）の断面にかかる破断力（引張り力）を低減でき、耐圧強度を向上できる。
【００４８】
更に、流通部１５１の断面形状を円形状としているので、流通部１５１内における冷媒による内圧を分散させ、また、応力集中の発生を防止できるのでヘッダタンク１４０の耐圧強度を更に向上することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５〜図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してヘッダタンク１４０をタンク部１５０とプレート部１６０とから構成して、チューブ挿入孔および連通部の形成を容易にしたものとしている。
【００５０】
タンク部１５０は、上記第１実施形態で説明したヘッダタンク１４０をベースにして、幅方向の端部にプレート部１６０によってかしめが成される凹状のかしめ部１５７が設けられ、更にチューブ端部１１１と対応する位置に連通部としての凹部１５２ａが設けられたものとしている。
【００５１】
この凹部１５２ａは、タンク部１５０におけるプレート部１６０側端面から反プレート部側に向けて流通部１５１の一部に到達するように、切削加工により形成され、タンク部１５０の幅方向に貫通するようにしている。また、凹部１５２ａの底部１５２ｂは、円弧状（Ｒ）に形成されるようにしている。
【００５２】
尚、凹部１５２ａの幅は、チューブ１１０扁平断面の短辺方向の厚さ寸法よりも大きくしている。
【００５３】
一方、プレート部１６０は、板状部材からプレス加工により、断面が爪部１６２を有するコの字状に形成されている。そして、チューブ端部１１１に対応する位置にはチューブ挿入孔１６１が設けられている。
【００５４】
尚、チューブ１１０は、上記第１実施形態と同一仕様としている。
【００５５】
そして、タンク部１５０にプレート部１６０を当接させた後に、プレート部１６０の爪部１６２でタンク部１５０をかしめてヘッダタンク１４０を形成し、チューブ端部１１１をチューブ挿入孔１６１に挿入して、これら各部材を一体でろう付けしている。
【００５６】
この第２実施形態においてもチューブ１１０に設けた切欠き部１１３によってチューブ端部１１１の挿入代は規制され、チューブ１１０の先端位置ａは、タンク部１４０の流通部１５１の領域に入らないようにしている。
【００５７】
これにより、第１実施形態のようにヘッダタンク１４０が一体の場合では、チューブ１１０の接合部と連通部を合せた複雑な形状加工（第１実施形態のチューブ挿入孔１５６および連通部１５２）を必要とするものに対して、タンク部１５０とプレート１６０の別体とすることでタンク部１５０およびプレート部１６０のそれぞれに単純な形状加工を施すことで対応が可能となり、全体の加工が容易になる。
【００５８】
即ち、プレート部１６０においては、チューブ１１０の接合部としてのチューブ挿入孔１６１をプレス加工で形成できる。また、タンク部１５０においては、連通部としての凹部１５２ａをプレート部１６０側からの穴あけ加工や中グリ加工等で容易に形成できる。
【００５９】
また、凹部１５２ａをタンク部１５０の幅方向に貫通するように設け、その幅寸法をチューブ１１０の厚さ寸法よりも大きくしているので、チューブ端部１１１の開口部全領域が凹部１５２ａと隙間を有して繋がることになり、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００６０】
更に、凹部１５２ａの底部１５２ｂを円弧状（Ｒ）にしているので、冷媒の内圧による応力集中を防止し、耐圧強度を向上できる。
【００６１】
尚、上記第２実施形態の変形例として、図８に示すようにタンク部１５０の壁部１５４を流通部１５１に沿って必要最小限に徐肉してやれば、更に軽量化が図れる。
【００６２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図９〜図１１に示す。第３実施形態は、上記第２実施形態の変形例に対して、タンク部１５０の流通部１５１がプレート部１６０側で開口する開口部１５２ｃを設け、プレート部１６０におけるチューブ端部１１１が接合される周囲近傍に反タンク部側に膨出する膨出部１６３を設けるようにしたものである。
【００６３】
尚、開口部１５２ｃは、タンク部１５０の長手方向にわたって形成されるようにしている。また、プレート部１６０の膨出部１６３は、チューブ挿入孔１６１と共にプレス加工により形成されるようにしている。
【００６４】
これにより、タンク部１５０の開口部１５２ｃとプレート部１６０に形成される膨出部１６３によって、上記第２実施形態で説明した連通部、具体的には凹部１５２ａに相当する構成とすることができるので、タンク部１５０への凹部１５２ａの加工を不要として安価にすることができる。
【００６５】
また、チューブ端部１１１が膨出部１６３の内部空間に配置可能となり、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００６６】
更に、チューブ端部１１１のろう付け時に、プレート部１６０とチューブ１１０との接合を安定化させ、チューブ１１０内にろう材が侵入してろう材詰まりを起こすことがない。
【００６７】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１２〜図１４に示す。第４実施形態は、上記第３実施形態に対して、タンク部１５０とプレート部１６０との間に中間プレート部１７０を介在させ、中間プレート部１７０に設けられたプレート孔１７１とタンク部１５０の開口部１５２ｃとによって連通部を形成すると共に、ろう付け時に必要とされるろう材の設定部位に特徴を持たせるようにしたものである。
【００６８】
タンク部１５０は、流通部１５１の断面形状をＵ字状にして、表面に予めろう材がクラッドされた平板部材からのプレス加工によって形成されるものとしている。尚、反プレート部側の天井部１５３側は円形状としている。また、ろう材はプレート部１６０側の面に施されるものとしている。
【００６９】
プレート部１６０は、上記第３実施形態のような膨出部（１６３）は設けずに平板状とし、チューブ挿入孔１６１を設けている。尚、板状部材のプレス加工によって形成されるプレート部１６０（上記第２実施形態で説明）の表裏両面には予めろう材がクラッドされている。
【００７０】
中間プレート部１７０は、タンク部１５０の開口部１５２ｃを有する側の面に沿う長方形の平板部材としており、チューブ端部１１１に対応する位置にプレート孔１７１が設けられている。そして、プレート孔１７１の長手方向端部には板厚の途中でチューブ端部１１１の位置を規制する位置規制部としての段部１７２が設けられている。更に、プレート孔１７１は、チューブ端部１１１の断面形状よりも大きくなるようにしている。具体的には、プレート孔１７１の幅寸法ｅは、チューブ１１０の厚さ寸法（扁平断面の短辺方向の寸法）ｄよりも大きくなるようにしており、ここでは寸法ｅは寸法ｄの約２倍の設定としている。この中間プレート部１７０は、上記タンク部１５０およびプレート部１６０とは異なり、表面にろう材を有さないベア材から成るものとしている。
【００７１】
尚、チューブ端部１１１を中間プレート部１７０の段部１７２によって位置規制することにより、チューブ１１０には上記第１〜第３実施形態で説明した切欠き部（１１２）は廃止している。また、押し出し加工により成形されるチューブ１１０（上記第１実施形態で説明）の表面には、ろう材は設けられていない。
【００７２】
上記タンク部１５０、中間プレート部１７０、プレート部１６０、チューブ１１０は、図１３、図１４に示すように組み付けられ、チューブ端部１１１の先端位置ａは、中間プレート部１７０のプレート孔１７１の段部１７２によって流通部１５１の外側の領域に規制され、また、チューブ端部１１１は、プレート孔１７１の空間内に配置されることになる。そして、タンク部１５０の開口部１５２ｃと中間プレート部１７０のプレート孔１７１とによって連通部が形成され、タンク部１５０およびプレート部１６０に設けられたろう材によって、各部材１５０、１７０、１６０、１１０は一体にろう付けされる。
【００７３】
これにより、上記第３実施形態における膨出部１６３を中間プレート部１７０のプレート孔１７１によって構成でき、加工が容易になる。
【００７４】
また、中間プレート部１７０に段部１７２を設けることによって、チューブ端部１１１位置決めのためのチューブ形状（切欠き部）を不要とすると共に、チューブ端部１１１の開口部のほぼ全領域が流通部１５１と繋がるので、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００７５】
また、中間プレート部１７０のプレート孔１７１をチューブ端部１１１の断面形状よりも大きくなるようにしているので、チューブ端部１１１の開口部と連通部（１５２ｃ、１７１）との間に隙間が確保でき、更に、チューブ端部１１１における冷媒の流入、流出抵抗を低減することができる。
【００７６】
また、タンク部１５０に開口部１５２ｃを形成することで、プレス成形での加工が可能となり安価にできる。
【００７７】
更に、中間プレート部１７０をベア材としているので、各部材１５０、１７０、１６０、１１０を一体でろう付けする際に、チューブ端部１１１からチューブ１１０内に直接ろう材が侵入することを防止でき、ろう材詰まりを起こすことがない。
【００７８】
（その他の実施形態）
上記第１〜第４実施形態では、ヘッダタンク１４０の流通部１５１は、ヘッダタンク１４０の幅方向に１列設けるものとして説明したが、図１５に示すように、チューブ１１０と共に、複数列設けるものとしても良い。
【００７９】
また、熱交換器として超臨界冷凍サイクル装置内のガスクーラ１００に適用されるものとして説明したが、冷媒を蒸発させる蒸発器に適用しても良い。
【００８０】
更に、ＣＯ２を冷媒とする超臨界冷凍サイクル装置に限らず通常の冷凍サイクルや、その他車両エンジン等に用いられる熱交換器に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるガスクーラの全体構成を示す正面図である。
【図２】第１実施形態におけるヘッダタンクおよびチューブを示す分解斜視図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ部の断面図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ部の断面図である。
【図５】第２実施形態におけるタンク部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図６】第２実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｃ部の断面図である。
【図８】第２実施形態の変形例を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【図９】第３実施形態におけるタンク部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図１０】第３実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図１１】図１０におけるＤ−Ｄ部の断面図である。
【図１２】第４実施形態におけるタンク部、中間プレート部、プレート部、チューブを示す分解斜視図である。
【図１３】第４実施形態における図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図１４】図１３におけるＥ−Ｅ部の断面図である。
【図１５】その他の実施形態を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【図１６】従来技術を示すヘッダタンクおよびチューブの断面図である。
【符号の説明】
１００ ガスクーラ（熱交換器）
１１０ チューブ
１１１ チューブ端部
１４０ ヘッダタンク
１５０ タンク部
１５１ 流通部
１５２ 連通部
１５２ａ 凹部（連通部）
１５２ｂ 底部
１５２ｃ 開口部（連通部）
１５３ 天井部
１６０ プレート部
１７０ 中間プレート部
１７１ プレート孔（連通部）
１７２ 段部（位置規制部）
Claims (5)
- 複数積層されるチューブ（１１０）と、
内部を流体が流通する流通部（１５１）が形成されて、前記チューブ（１１０）の積層方向に延びる一対のヘッダタンク（１４０）とを有し、
前記一対のヘッダタンク（１４０）に前記チューブ（１１０）の長手方向における両チューブ端部（１１１）が接合されて、前記ヘッダタンク（１４０）の前記流通部（１５１）および前記チューブ（１１０）の内部とが互いに連通する熱交換器において、
前記ヘッダタンク（１４０）は、
断面がＵ字状を成し、このＵ字状の開口側端部から外側横方向へ折れ曲がって延びるフランジ部を備えるようにプレス加工によって形成されると共に、前記Ｕ字状断面の内部を前記流通部（１５１）とするタンク部（１５０）と、
前記タンク部（１５０）の前記フランジ部側に配置されると共に、前記チューブ端部（１１１）が接合される板状のプレート部（１６０）と、
板状を成して前記チューブ端部（１１１）に対応する位置にプレート孔（１７１）が設けられると共に、前記タンク部（１５０）と前記プレート部（１６０）との間に介在されて、前記フランジ部と前記プレート部（１６０）とに当接する部位で接合される中間プレート部（１７０）とから成り、
前記チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、前記プレート孔（１７１）に設けられた位置規制部（１７２）によって、前記中間プレート部（１７０）の板厚途中で位置規制され、
前記タンク部（１５０）の前記Ｕ字状の開口側となる開口部（１５２ｃ）と前記プレート孔（１７１）とによって、前記流通部（１５１）および前記チューブ（１１０）の内部とが互いに連通する連通部が形成され、
前記チューブ端部（１１１）の先端位置（ａ）は、前記流通部（１５１）の外側の領域に設けられ、
前記ヘッダタンク（１４０）の幅方向における前記タンク部（１５０）の内壁の幅寸法は、前記チューブ端部（１１１）の幅寸法よりも小さくなるようにしたことを特徴とする熱交換器。 - 前記中間プレート部（１７０）は、表面にろう材を有さないベア材から成ることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
- 前記プレート孔（１７１）は、前記チューブ端部（１１１）の断面形状よりも大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
- 前記流通部（１５１）および前記チューブ（１１０）は、前記ヘッダタンク（１４０）の幅方向に複数設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記流体は、ＣＯ２冷媒としたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
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