JP4222195B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、内燃機関に供給される燃焼用の空気と大気（空気）とを冷却して過給器にて加圧された燃焼用の空気を冷却するインタークーラに適用して有効である。

ラジエータやオイルクーラ等のいわゆるマルチフロー型の熱交換器は、複数本のチューブおよびチューブの外表面に接合されたフィンからなる熱交換コア、この熱交換コアの端部に配置されて熱交換コアを補強するサイドプレート、並びに複数本のチューブに連通するとともに、これら複数本のチューブおよびサイドプレートが接合されたヘッダタンク等から構成されている。

このとき、チューブ内には熱交換の対象となる流体、つまりエンジン冷却水や加圧された燃焼用の空気等が流れるのに対して、サイドプレートは大気に晒されているのみであるので、チューブの温度とサイドプレートの温度とが相違し易いことに加えて、例えチューブとサイドプレートとを同一の材料として比熱を同一としても、その質量の相違に起因する熱容量の相違のため、チューブの膨張量とサイドプレートの膨張量とが相違してしまう。

そして、チューブの膨張量とサイドプレートの膨張量との相違によって、ヘッダタンクのうちサイドプレートが接合された部位とチューブが接合された部位との近傍に熱歪みに伴う熱応力が発生し易いので、温度が繰り返し変化して熱応力が繰り返して変化すると、サイドプレートが接合された部位近傍が疲労破壊するおそれがある。

これに対して、従来は、サイドプレートの一部を湾曲させてサイドプレートがその長手方向に容易に伸縮することができるようにしてチューブの膨張量とサイドプレートの膨張量との相違を吸収し、サイドプレートが接合された部位近傍が疲労破壊することを未然に防止している（例えば、特許文献１参照）。
欧州特許出願公開第１００１２４１号明細書

ところで、チューブ内に流入する流体の温度と冷却用空気との温度差が非常に大きい場合（例えば、２００℃以上の場合）には、チューブ内を流れる流体のうち冷却風流れ上流側を流れる流体は、冷却風流れ下流側を流れる流体より冷却風との温度が大きいため、チューブ内を流れる流体のうち冷却風流れ上流側を流れる流体は、冷却風流れ下流側を流れる流体より大きく冷却され、１本のチューブのうち冷却風流れ上流側と冷却風流れ下流側とで大きな温度差が発生する。

このため、チューブのみを着目したとき、冷却風流れ下流側におけるチューブの温度が冷却風流れ上流側におけるチューブの温度より高くなるので、チューブは、冷却風流れ上流側に向けて曲がるように延びようとする。

一方、特許文献１に記載のサイドプレートは、その長手方向においては、容易に伸縮することができるものの、サイドプレートの一部を湾曲させているのみであるので、冷却風の流通方向に向けて曲がるように伸縮し難い。

したがって、チューブが曲がるように膨張する際の膨張量をサイドプレートにて吸収することが難しいので、サイドプレートが接合された部位近傍に発生する熱応力を緩和することは難しい。

因みに、特許文献１には、サイドプレートの一部を熱交換コア側に突出させるように湾曲させた発明、およびサイドプレートの一部を熱交換コアと反対側に突出させるように湾曲させた発明が記載されているが、サイドプレートの一部を熱交換コア側に突出させるように湾曲させて湾曲部を設けた場合には、湾曲部に対応する位置にはフィンを設けることができず、熱交換性能が低下する。

また、フィンが設けられていない部位は、ろう付け時にサイドプレートを熱交換コア側に押圧することができないので、フィンとサイドプレートとのろう付け性が悪化する。

また、サイドプレートの一部を熱交換コアと反対側に突出させるように湾曲させて湾曲部を設けた場合には、ろう付け時に、チューブとフィンとを圧接するように加圧するための冶具（例えば、ワイヤー）を配置することができないことに加えて、湾曲部においては、フィンとサイドプレートとが接触しないので、フィンとサイドプレートとのろう付け性、およびチューブとフィンとのろう付け性が悪化する。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な熱交換器を提供し、第２には、サイドプレートが接合された部位近傍に発生する熱応力を確実に緩和することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、熱交換用流体の流通方向と交差する方向に延びる複数本のチューブ（２）、およびこれらチューブ（２）の外表面に設けられてチューブ（２）内を流通する流体と熱交換用流体との熱交換を促進するフィン（３）を有する熱交換コア（４）と、熱交換コア（４）の端部に配置され、チューブ（２）の長手方向と並行に延びて熱交換コア（４）を補強するサイドプレート（５）と、複数本のチューブ（２）に連通するとともに、複数本のチューブ（２）およびサイドプレート（５）の長手方向端部に連結されたヘッダタンク（６）とを備え、サイドプレート（５）には、熱交換用流体の流通方向前進側端部から後退側に向かって延びる第１スリット（５ａ）、および熱交換用流体の流通方向後退側端部から前進側に向かって延びる第２スリット（５ｂ）がサイドプレート（５）の長手方向において、千鳥状に設けられていることを特徴とする。

これにより、サイドプレート（５）は、サイドプレート（５）の実質的な幅寸法が小さくなることとなるので、熱交換用流体の流通方向に向けて容易に曲がるように伸縮することができる。

したがって、例えばチューブ（２）が熱交換用流体の流れの上流側に向けて曲がるように延びようとしたときに、サイドプレート（５）も熱交換用流体の流れの上流側に向けて曲がるように延びることができるので、チューブ（２）が曲がるように膨張する際の膨張量をサイドプレート（５）にて吸収することができる。

したがって、サイドプレート（５）が接合された部位近傍に発生する熱応力を緩和することができるので、サイドプレート（５）が接合された部位近傍が疲労破壊することを確実に防止できる。

請求項２に記載の発明では、第１スリット（５ａ）および第２スリット（５ｂ）の切り込み長さ（Ｌ）は、サイドプレート（５）の幅寸法（Ｗｏ）の略１／２であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明では、第１スリット（５ａ）および第２スリット（５ｂ）の先端側には、第１スリット（５ａ）および第２スリット（５ｂ）の切り込み幅（Ｗ）の１／２より大きい曲率半径を有する穴（５ｃ）が設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明では、第１スリット（５ａ）間のピッチ寸法（ｐ１）または第２スリット（５ｂ）間のピッチ寸法（ｐ２）は、前記サイドプレート（５）の幅寸法（Ｗｏ）の略１／４であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明では、第１スリット（５ａ）および第２スリット（５ｂ）は、サイドプレート（５）の長手方向端部側から所定の範囲に設けられていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明では、サイドプレート（５）は、その長手方向から見て略コの字状に形成されていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明では、チューブ（２）内には、内燃機関に供給される燃焼用の空気が流通し、さらに、熱交換用流体は、空気であることを特徴とするものである。

因みに、上記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一例である。

本実施形態は、本発明に係る熱交換器をディーゼルエンジン用のインタークーラに適用したものである。

なお、図１は本実施形態に係るインタークーラ１を冷却用空気の流通方向から見た正面図であり、図２は図１の右側面図であり、図３は図１の上面図であり、図４はサイドプレート５の三面図である。

因みに、インタークーラ１とは、内燃機関に供給される燃焼用の空気を冷却する熱交換器であり、本実施形態に係るインタークーラ１は、過給器にて加圧された燃焼用の空気と大気（空気）とを熱交換して燃焼用の空気を冷却する。

図１中、チューブ２は、内部に燃焼用の空気が流通するとともに、冷却用空気の流通方向（本実施形態では、車両前後方向）と交差する方向（本実施形態では、水平方向）に延びる管である。

なお、本実施形態に係るチューブ２は、アルミニウム合金等の金属に押し出し加工、または引き抜き加工を施して断面を扁平状としたものであり、断面の長径方向を冷却用空気の流通方向と一致させている。

また、チューブ２の扁平外表面には、チューブ２内を流通する流体、つまり燃焼用の空気と冷却用空気との熱交換を促進するフィン３がろう接等の接合方法にて接合されており、このチューブ２およびフィン３により熱交換コア４が構成されている。

なお、本実施形態に係るフィン３は、多数個の折曲部を有して波状に形成されたコルゲートフィンであり、隣り合う折曲部間を繋ぐ部位に、冷却用空気を蛇行させるように空気流れを乱して温度境界層が成長することを抑制する鎧窓状のルーバ（図示せず。）が形成されている。

ここで、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。

因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。

また、略矩形状の熱交換コア４の端部には、チューブ２の長手方向と並行に延びて熱交換コア４を補強するサイドプレート５が設けられており、このサイドプレート５には、図３および図４（ａ）に示すように、冷却用空気の流通方向前進側端部から後退側に向かって延びる第１スリット５ａ、および冷却用空気の流通方向後退側端部から前進側に向かって延びる第２スリット５ｂがサイドプレート５の長手方向において、千鳥状に設けられている。

そして、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂは、少なくともサイドプレート５の長手方向端部側から所定の範囲に設けられており、本実施形態では、サイドプレート５の長手方向寸法の略１２％内の範囲内にのみ設けられている。

また、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂは、プレス加工等にてサイドプレート５に切り込みを設けることにより形成されたもので、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの切り込み長さＬを、サイドプレート５の長手方向と直交するする部位に長さ、つまりサイドプレート５の幅寸法Ｗｏの略１／２としている。

そして、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの先端側には、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの切り込み幅Ｗの１／２より大きい曲率半径を有する略真円状の穴５ｃが形成され、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの根元側は、丸取り加工または面取り加工が施されており、本実施形態では、穴５ｃおよび丸取りまたは面取りは、プレス加工等にて第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの成形と同時に形成される。

ここで、スリットの先端側とは、第１スリット５ａにあっては、冷却用空気の流通方向後退側端部を意味し、第２スリット５ｂにあっては、冷却用空気の流通方向前進側端部を意味し、スリットの根元側とは、第１スリット５ａにあっては、冷却用空気の流通方向後前側端部を意味し、第２スリット５ｂにあっては、冷却用空気の流通方向後退側端部を意味する。

また、第１スリット５ａ間のピッチ寸法ｐ１および第２スリット５ｂ間のピッチ寸法ｐ２をサイドプレート５の幅寸法Ｗｏの略１／４とするとともに、切り込み幅Ｗをサイドプレート５の板厚の略２倍とし、かつ、穴５ｃの曲率半径を切り込み幅Ｗの１／２の略２倍としている。

また、サイドプレート５は、図４（ｃ）に示すように、その長手方向から見て略コの字状に形成されてサイドプレート５の板厚方向の曲げ剛性（断面二次モーメント）が高められている。なお、本実施形態では、サイドプレート５の長手方向端部は、後述するヘッダタンク６に挿入された状態で接合されるので、サイドプレート５の長手方向端部のみは、その断面形状を略コの字状とされておらず、単純な板状となっている。

因みに、本実施形態に係る第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂは、サイドプレート５をコの字状に成形する前の展開状態において形成されたもので、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂ形成した後、断面形状が略コの字状にプレス成形される。

このため、本実施形態に係る第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂは、断面コの字状に形成された部位の底面部および側面部の両部に渡って形成されている。

また、図１中、ヘッダタンク６は、チューブ２の長手方向端部に配置されて複数本のチューブ２に連通するとともに、複数本のチューブ２およびサイドプレート５の長手方向端部が挿入された状態でこれら２、５がろう接等の接合方法にて接合されたものである。

なお、本実施形態に係るヘッダタンク６は、チューブ２およびサイドプレート５が接合されたアルミニウム合金等の金属製のコアプレートと、このコアプレートと共にタンク内空間を構成するアルミニウム合金等の金属製のタンク本体とをろう接等の接合方法にて接合することにより構成されたもので、その長手方向端部には、燃焼用の空気が流れる吸気管にインタークーラ１を接続するための、接続パイプ部６ａが溶接等の接合方法にて接合されている。

そして、ヘッダタンク６の断面積は、接続パイプ部６ａが接合された長手方向一端側から他端側に向かうほど小さくなっている。これは、接続パイプ部６ａが接合された長手方向一端側から他端側に向かうほど、ヘッダタンク６内を流れる燃焼用の空気の量が減少するからである。

次に、本実施形態に係るインタークーラ１の特徴を述べる。

本実施形態に係るサイドプレート５には、冷却用空気の流通方向前進側端部から後退側に向かって延びる第１スリット５ａ、および冷却用空気の流通方向後退側端部から前進側に向かって延びる第２スリット５ｂがサイドプレート５の長手方向において、千鳥状に設けられているので、サイドプレート５の実質的な幅寸法が小さくなり、サイドプレート５は、冷却用空気の流通方向に向けて容易に曲がるように伸縮することができる。

したがって、チューブ２が冷却空気の流れの上流側に向けて曲がるように延びようとしたときに、サイドプレート５も冷却用空気の流れの上流側に向けて曲がるように延びることができるので、チューブ２が曲がるように膨張する際の膨張量をサイドプレート５にて吸収することができる。

延いては、サイドプレート５が接合された部位近傍に発生する熱応力を緩和することができるので、サイドプレート５が接合された部位近傍が疲労破壊することを確実に防止できる。

また、上述の実施形態では、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂは、サイドプレート５の長手方向端部側から所定の範囲内のみに設けられているので、サイドプレート５の剛性を過度に低下させて補強部材として機能を著しく低下させることなく、サイドプレート５が接合された部位近傍に発生する熱応力を緩和することができる。

また、湾曲部を設けることなく、チューブ２が膨張する際の膨張量をサイドプレート５にて吸収することができるので、フィン３をサイドプレート５の長手方向全域に設けてサイドプレート５に接触させることができる。

したがって、熱交換コア４（インタークーラ１）の熱交換能力を低下させることなく、フィン３とサイドプレート５とのろう接性、およびチューブ２とフィン３とのろう接性を特許文献１に記載の発明より向上させることができる。

また、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの先端側には、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの切り込み幅Ｗの１／２より大きい曲率半径を有する穴５ｃが設けられているので、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの先端側に応力が集中することを未然に防止できる。

したがって、サイドプレート５の伸縮に伴って発生する応力が第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの先端側に集中してしまうことを防止できるので、サイドプレート５に亀裂が発生することを未然に防止できる。

また、湾曲部を設けることなく、チューブ２が膨張する際の膨張量をサイドプレート５にて吸収することができるので、湾曲部を設けた特許文献１に記載の発明に比べて、サイドプレート５の材料費を低減することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明に係る熱交換器をインタークーラ１に適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、第１スリット５ａおよび第２スリット５ｂの切り込み長さＬ、切り込み幅Ｗおよび穴５ｃの曲率半径は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、サイドプレート５の断面形状を略コの字状としたが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、チューブ２の長手方向が水平方向に一致していたが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るインタークーラを冷却用空気の流通方向から見た正面図である。 図１の右側面図である。 図１の上面図である。 （ａ）本発明の実施形態に係るインタークーラに用いられるサイドプレートの正面図であり、（ｂ）は（ａ）の下面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

５…サイドプレート、５ａ…第１スリット、５ｂ…第２スリット、５ｃ…穴。

Claims (7)

1. 熱交換用流体の流通方向と交差する方向に延びる複数本のチューブ（２）、およびこれらチューブ（２）の外表面に設けられて前記チューブ（２）内を流通する流体と前記熱交換用流体との熱交換を促進するフィン（３）を有する熱交換コア（４）と、
   前記熱交換コア（４）の端部に配置され、前記チューブ（２）の長手方向と並行に延びて前記熱交換コア（４）を補強するサイドプレート（５）と、
   前記複数本のチューブ（２）に連通するとともに、前記複数本のチューブ（２）および前記サイドプレート（５）の長手方向端部に連結されたヘッダタンク（６）とを備え、
   前記サイドプレート（５）には、前記熱交換用流体の流通方向前進側端部から後退側に向かって延びる第１スリット（５ａ）、および前記熱交換用流体の流通方向後退側端部から前進側に向かって延びる第２スリット（５ｂ）が前記サイドプレート（５）の長手方向において、千鳥状に設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１スリット（５ａ）および前記第２スリット（５ｂ）の切り込み長さ（Ｌ）は、前記サイドプレート（５）の幅寸法（Ｗｏ）の略１／２であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１スリット（５ａ）および前記第２スリット（５ｂ）の先端側には、前記第１スリット（５ａ）および前記第２スリット（５ｂ）の切り込み幅（Ｗ）の１／２より大きい曲率半径を有する穴（５ｃ）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１スリット（５ａ）間のピッチ寸法（ｐ１）または前記第２スリット（５ｂ）間のピッチ寸法（ｐ２）は、前記サイドプレート（５）の幅寸法（Ｗｏ）の略１／４であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第１スリット（５ａ）および前記第２スリット（５ｂ）は、前記サイドプレート（５）の長手方向端部側から所定の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 前記サイドプレート（５）は、その長手方向から見て略コの字状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記チューブ（２）内には、内燃機関に供給される燃焼用の空気が流通し、
   さらに、前記熱交換用流体は、空気であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換器。

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