JP4430482B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、炭酸ガス（ＣＯ２）などの冷媒の熱交換を行なう熱交換器に関し、特に、高温高圧状態の冷媒を流通させる熱交換器に関する。

一般に、図１８に示すような熱交換器が知られている。この図１８に示す熱交換器１は、複数積層されるチューブ２を有するコア部３と、チューブ２の積層方向に延び、内部に流体が流通する図示しない流通路が形成される一対のヘッダタンク４とから構成されている。コア部３は、複数のチューブ２および波形に形成される複数のフィン５が交互に積層され、これらのフィン５のうち最上部および最下部に位置するものが補強部材６により補強されている。各ヘッダタンク４の両端部にはエンドキャップ７がロウ付けされている。一方のヘッダタンク４の中間部には流通路を塞ぐ図示しないセパレータが設けられ、このセパレータより上部、下部のそれぞれに入口ジョイント８および出口ジョイント９が設けられている。これらの入口ジョイント８は、例えば図示しない圧縮機の吐出側から高温高圧状態の炭酸ガス（ＣＯ２）などの冷媒を受入れたとき、入口ジョイント８からセパレータより上部のチューブ２群を図１８の左側から右側へ流れて他方のヘッダタンク４内に流入した後、セパレータより下部のチューブ２群を図１８の右側から左側へ流れて出口ジョイント９から図示しない膨張弁へ流出するようになっている。この間、複数のチューブ２を通る際に外部空気と熱交換されるので高温高圧状態の冷媒が冷却される。なお、図１８では一方のヘッダタンク４には入口ジョイント８および出口ジョイント９を設けたものを図示したが、この他に、一方のヘッダタンクには入口ジョイントを設け、他方のヘッダタンクに出口ジョイントを設けた熱交換器もあり、この場合には冷媒が一方のヘッダタンクから他方のヘッダタンクに向かってチューブ群を流れる。

そして、この種の熱交換器の従来例としては、図１９に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図１９に示すように、この熱交換器においては、ヘッダタンク４が、内部に冷媒が流通する流通部１０が形成されるタンク部１１、およびチューブ２の両端部が接合されるプレート部１２から構成されている。タンク部１１の内側には、チューブ２の先端隅部が当接する一対の傾斜面１３が設けられている。このような従来の熱交換器にあっては、チューブ２の端部をプレート部１１のチューブ挿入孔１４に挿入した際に、チューブ２の先端隅部が一対の傾斜面１３に当接することによりチューブ２の位置決めがなされる。これによって、チューブ２の位置決め治具が不要であるとともに、チューブ２自体の位置決め用の形状加工も不要である。

また、別の従来例として、図２０および図２１に示すような熱交換器が知られている（例えば、特許文献２参照。）。図２０および図２１に示すように、この熱交換器では、ヘッダタンク４が、内部に冷媒が流通する流通部１５が形成されるタンク部１６と、チューブ２の両端部が接合されるプレート部１７と、これらのタンク部１６およびプレート部１７の間に介在する中間プレート部１８とから構成されている。プレート部１７には、チューブ２の端部が挿入されるチューブ挿入孔１９が形成され、中間プレート部１８には、チューブ挿入孔１９と合致するプレート孔２０が形成され、このプレート孔２０の長手方向端部に、チューブ２の先端隅部の位置を規制する位置規制部としての段部２１が設けられている。

このような従来の熱交換器にあっては、タンク部１６、プレート部１７および中間プレート部１８を図２１に示す状態から組立てて、図２０に示すようにプレート部１７の爪部２２の先端部分をタンク部１６の両側部に当接するようにかしめることにより、ヘッダタンク４を一体化した後、チューブ２の端部をプレート部１７のチューブ挿入孔１９よりヘッダタンク４内に挿入する。このときチューブ２の先端隅部が中間プレート部１８の段部２１に当接することにより、チューブ２の位置が規制される。これにより、チューブ２の位置決め治具が不要であるとともに、チューブ２自体の位置決め用の形状加工も不要であり、さらにプレート部１７にも位置決め用の形状加工が不要であるので加工が容易である。また、チューブ２の位置規制部とは別にして簡素な構成のタンク部１６を設けるようにしたので、タンク部１６の小型化が可能であるとともに、タンク部１６内の表面積が小さいので冷媒の内圧によるタンク部１６にかかる破断力（引張り力）を低減でき、ヘッダタンク４の耐圧強度を向上できる。
実開平２−１０９１８５号公報（第１頁、第１図） 特開２００３−３１４９８７号公報（第５頁、段落番号００４０〜００４４、図１２〜図１４）

しかしながら、特許文献１に記載されている熱交換器では、タンク部１１の内部にチューブ２の位置規制部を設けるため必要以上のスペースを有する流通部１０が形成され、すなわちタンク部１１内に無駄な空間が形成されているので、タンク部１１内の表面積が大きくなり、タンク部１６の小型化やタンク部１６にかかる破断力の低減を図ることが難しいという問題があった。また、特許文献２に記載されている熱交換器では、タンク部１６およびプレート部１７の他に中間プレート部１８を要し、部品点数の増加からコストがかさむとともにヘッダタンク４の形状が比較的大きいという問題がある。

本発明は、上記のような課題を考慮してなされたもので、その目的は、中間プレート部を用いることなく容易にチューブをヘッダタンクに組付けることができるとともに、ヘッダタンクの小型化および耐圧強度向上を図ることのできる熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、互いに間隔を隔てて並行に配置されるチューブと、これらのチューブの積層方向に延びる一対のヘッダタンクとを有し、この一対のヘッダタンクが、内部に冷媒が流通する流通部が形成されるタンク部と、前記チューブの両端部が挿入されるチューブ挿入孔を有するプレート部とから構成される熱交換器であって、前記タンク部の前記チューブ挿入孔と対向する部分に、前記チューブの内部および前記タンク部の内部を連通する連通部を設け、前記タンク部の前記チューブの端部と対向する部分に、前記連通部を形成し前記チューブの端部を受入れる凹部を設け、この凹部の長手方向端部にチューブ位置決め部を設けた構成にしてある。

このように構成した請求項１に記載の発明では、タンク部およびプレート部を一体化した後、プレート部のチューブ挿入孔よりヘッダタンク内部へチューブの端部を挿入すると、タンク部の前記チューブ挿入孔と対向する部分に設けたチューブ位置決め部により、チューブの端部の位置が規制される。これにより、中間プレート部を用いることなく容易にチューブをヘッダタンクに組付けることができる。また、中間プレート部の取付スペースが不要であるとともに、前記チューブ位置決め部以外の部分ではタンク部をプレート部に密着した状態に配置することにより、ヘッダタンクの小型化が可能である。これにより、タンク部内の表面積を小さくして冷媒の内圧によりタンク部にかかる破断力を低減でき、タンク部の耐圧強度を向上できる。さらに、タンク部の連通部がチューブの内部およびタンク部の内部を連通し、チューブ端部のほぼ全領域にわたって冷媒が流出入するので、その際の抵抗が低減する。また、プレート部のチューブ挿入孔よりヘッダタンク内部へチューブの端部を挿入した場合、このチューブの端部をタンク部の凹部に受入れ、この凹部の長手方向端部に設けたチューブ位置決め部によりチューブの端部の位置を規制するので、容易にチューブをヘッダタンクに組付けることができる。また、前記凹部を介してチューブの内部およびタンク部の内部を連通するので、チューブ端部のほぼ全領域にわたって冷媒を円滑に流出入させることができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記タンク部の少なくとも前記チューブ位置決め部を形成した面にロウ材を付さず、前記プレート部の両面にロウ材を付した構成にしてある。

このように構成した請求項２に記載の発明では、プレート部のチューブ挿入孔にチューブ端部を挿入してチューブ位置決め部に当接させた状態で加熱処理を施すことにより、プレート部の両面に付されたロウ材によりチューブ端部が接合される。一方、タンク部の少なくともチューブ位置決め部を形成した面にはロウ材が付されていないので、チューブ端部内にロウ材が侵入してロウ材詰まりを起こすことがない。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記チューブ位置決め部に前記ロウ材を吸収するためのスペースを設ける構成にしてある。

このように構成した請求項３に記載の発明では、チューブ位置決め部にロウ材を吸収するためのスペースを設けたので、プレート部の両面に付されたロウ材が
チューブ端部内に侵入してロウ材詰まりを起こすことを確実に防止することができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記タンク部およびプレート部を、それぞれプレス加工により成型する構成にしてある。

このように構成した請求項４に記載の発明では、タンク部およびプレート部をそれぞれプレス加工により成型するので、これらの製作費が安価である。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記タンク部のプレス加工を行なう際に、前記チューブ位置決め部および連通部を成型する構成にしてある。

このように構成した請求項５に記載の発明では、タンク部のプレス加工とともにチューブ位置決め部および連通部を同時に成型するので、製作費をさらに低減することができる。

本発明では、中間プレート部を用いることなく容易にチューブをヘッダタンクに組付けることができる。また、ヘッダタンクの小型化が可能であり、タンク部内の表面積を小さくして冷媒の内圧によりタンク部にかかる破断力を低減でき、タンク部の耐圧強度を向上できる。したがって、組立て性に優れており、かつコンパクトで丈夫な熱交換器が得られるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器の詳細を図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１〜図５に示す。なお、図１〜図５において前述した図１８〜図２１に示すものと同等のものには同一符号を付して説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る熱交換器では、ヘッダタンク２３が、内部に冷媒が流通する流通部２４が形成されるタンク部２５と、チューブ２の両端部が挿入されるチューブ挿入孔２６を有するプレート部２７とから構成され、これらのタンク部２５およびプレート部２７は、それぞれプレス加工により成型されている。なお、タンク部２５の内側に形成された流通部２４は、タンク部２５を形成する板材の幅方向中央部を長手方向に沿って外側へ膨出するようにプレス加工することによって形成されている。

図２に示すようにタンク部２５における、チューブ挿入孔２６と対向する部分には、チューブ２の端部を受入れる凹部２８が設けられるとともに、この凹部２８の長手方向の両端部に、チューブ２の端部の挿入方向に向かって狭まる一対の傾斜面２９が設けられている。なお、この一対の傾斜面２９により、チューブ２の端部の位置を規制するチューブ位置決め部が構成され、凹部２８によりチューブ２の内部および流通部２４の内部を連通する連通部が形成されている。

タンク部２５の成型時には、上記凹部２８および傾斜面２９をも成型するようになっており、凹部２８の成型によりタンク部２５の外側（図４の左側）へ膨出する膨出部３０が形成される。プレート部２７の幅寸法はタンク部２５の幅寸法より大きく設定され、プレート部２７の幅方向の両側端に一対の折曲部３１が設けられている。プレート部２７の成型時に、図１に示すように折曲部３１の根元部分が直角に折曲げられてプレート部２７がＵ字形状に形成されている。また、タンク部２５の少なくとも傾斜面２９にロウ材を付さず、一方、プレート部２７の両面に図示しないロウ材を付してある。

この第１実施の形態にあっては、ヘッダタンク２３の組立て時に、タンク部２５およびプレート部２７を重合わせて、図２に示すように一対の折曲部３１の先端部分を内側に折曲げてタンク部２５の両側端にかしめることにより、タンク部２５およびプレート部２７からなるヘッダタンク２３を一体化する。次いで、プレート部２７のチューブ挿入孔２６よりヘッダタンク２３内へチューブ２の端部を挿入すると、このチューブ２の端部がタンク部２５の凹部２８に受入れられて、凹部２８の端部の傾斜面２９によりチューブ２の端部の位置が規制される。この状態で加熱処理を施すことにより、プレート部２７の両面に付されたロウ材でチューブ２端部がプレート部２７に接合される。

このように構成した第１実施の形態では、中間プレート部を用いることなく容易にチューブ２をヘッダタンク２３に組付けすることができる。また、中間プレート部の取付スペースが不要であるとともに、図４および図５に示すように凹部２８以外の部分ではタンク部２５をプレート部２７に密着した状態に配置することにより、タンク部２５内の表面積を小さくして冷媒の内圧によるタンク部２５にかかる破断力を低減でき、タンク部２５の耐圧強度を向上できる。さらに、チューブ２の内部およびタンク部２５の内部を連通する凹部２８によりチューブ２端部のほぼ全領域にわたって冷媒を流出入させることができるので、その際の抵抗を低減させることができる。

また、第１実施の形態では、タンク部２５の少なくとも傾斜面２９にはロウ材が付されていないので、加熱処理を施したときチューブ２端部内にロウ材が侵入してロウ材詰まりを起こすことがない。

（第２の実施の形態）
本発明の第２実施の形態を図６〜図１０に示す。なお、図６〜図１０において前述した図１〜図５、図１８〜図２１に示すものと同等のものには同一符号を付してある。

図６に示す第２の実施の形態の熱交換器では、図１〜図５に示す第１の実施の形態に比べて、プレート部２７の折曲部３１の先端部に、所定間隔をおいて複数の切欠き部３２を設けたことが異なっており、その他の構成は基本的に同様である。

各切欠き部３２は、図９に示すようにタンク部２５の膨出部３０間の位置に対応して形成されている。

この第２実施の形態にあっては、ヘッダタンク２３の組立て時に、タンク部２５およびプレート部２７を重合わせて、図７に示すように一対の折曲部３１の先端部分を内側に折曲げてタンク部２５の両側端にかしめることにより、タンク部２５およびプレート部２７からなるヘッダタンク２３を一体化する。その際、折曲部３１の先端部分の切欠き部３２が膨出部３０間の位置に対応して形成されているため、折曲部３１の先端部分を内側に折曲げてもタンク部２５の膨出部３０と干渉することがない。

このように構成した第２の実施の形態でも、上述の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、この第２の実施の形態では、ヘッダタンク２３の組立て時にプレート部２７の折曲部３１がタンク部２５の膨出部３０と干渉することを避けることができるので、タンク部２５およびプレート部２７の幅寸法を小さくしてヘッダタンク２３の小型化をさらに図ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器を図１１に示す。なお、図１１において上述した第１および第２の実施の形態に係る熱交換器と同等の部分には同一符号を付して説明する。

図１１に示す第３の実施の形態の熱交換器では、図１〜図５に示す第１実施の形態に比べて、タンク部２５の凹部２８の長手方向両端部に、チューブ２の端部の挿入方向に向かって狭まる一対の傾斜面３３と、この傾斜面３３と隣り合いチューブ２の端部の挿入方向に対して垂直な一対の平坦面３４を設けたことが異なっており、その他の構成は基本的に同様である。なお、上記傾斜面３３および平坦面３４により、チューブ２の端部の位置を規制するチューブ位置決め部が構成されている。

この第３実施の形態にあっては、タンク部２５の成型時に凹部２８を形成するとともに、この凹部２８の長手方向両端部にプレス加工の許容する範囲で傾斜面３３および平坦面３４を形成する。そして、ヘッダタンク２３の組立て後、プレート部２７のチューブ挿入孔２６よりチューブ２の端部を挿入した場合、このチューブ２の端部がタンク部２５の凹部２８に受入れられ、凹部２８の端部の傾斜面３３および平坦面３４によりチューブ２の端部の位置が規制される。

このように構成した第３実施の形態でも、図１〜図５に示す第１実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、上記第３実施の形態では、凹部２８の端部の傾斜面３３でチューブ２の端部の位置を規制するとともに、チューブ２の端部の挿入方向に対して垂直な平坦面３４がチューブ２の両端部と当接することにより、チューブ２の端部の位置決めを確実に行なうことができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器を図１２〜図１６に示す。なお、図１２〜図１６において上述した第１、第２および第３の実施の形態に係る熱交換器と同等の部分には同一符号を付して説明する。

図１２に示す第４の実施の形態の熱交換器では、図１〜図５に示す第１の実施の形態において、プレート部２７の折曲部３１をなくして切欠き部４１を設け、この切欠き部４１に勘合する勘合部４２をタンク部２５に設けている。その他の構成は基本的に同様である。

図１２に示すように、切欠き部４１はプレート部２７の側面両側であって、チューブ挿入孔２６の間に位置するように設けられている。

そして、この第４の実施の形態では、ヘッダタンク２３の組立て時に、タンク部２５の勘合部４２をプレート部２７の切欠き部４１に挿入して重ね合わせ、図１４に示すように一対の勘合部４２の先端部分を内側に折り曲げてかしめることにより、タンク部２５およびプレート部２７からなるヘッダタンク２３を一体化する。その際、切欠き部４１がチューブ挿入孔２６の間に位置するので、折り曲げられた勘合部４２の先端部分は、図１５及び図１６に示すようにチューブ２の間に位置することになり、チューブ２と干渉することはない。

このように構成した第４の実施の形態においても、上述の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、この第４の実施の形態では、プレート部２７に切欠き部４１を設け、タンク部２５の勘合部４２を折り曲げてプレート部２７とタンク部２５を一体化するので、プレート部２７の折曲部３１をなくすことができ、これによって、プレート部２７の幅寸法を小さくしてヘッダタンク２３の小型化を実現することができる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器を図１７に示す。なお、図１７において上述した第１〜第４の実施の形態に係る熱交換器と同等の部分には同一符号を付して説明する。

図１７に示す第５の実施の形態の熱交換器では、図１〜図１０に示す第１及び第２の実施の形態において、凹部２８の両端にチューブ位置決め部としての突部２８ａを設けるとともに、その周辺部分にロウ材を吸収するためのスペース５１を設けている。その他の構成は基本的に同様である。

このように構成した第５の実施の形態についても、上述の第１及び第２の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、この第５の実施の形態では、ロウ材を吸収するためのスペース５１をチューブ位置決め部に設けたので、プレート部２７の両面に付されたロウ材がチューブ２の端部内に侵入してロウ材詰まりを起こすことを確実に防止することができる。

以上、本発明の熱交換器について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、組立て性に優れており、かつコンパクトで丈夫な熱交換器が得られるという効果があるので、高圧状態の炭酸ガス（ＣＯ２）などの冷媒を用いる超臨界冷凍サイクル装置内のガスクーラや蒸発器に適用でき、その他通常の冷凍サイクル装置や車両エンジン用のクーラの用途にも適用できる。

本発明の第１実施の形態に係る熱交換器を示す分解斜視図である。 第１実施の形態に設けられるタンク部の凹部の部分を示す横断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿って示す縦断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿って示す縦断面図である。 第１実施の形態に設けられるタンク部の凹部以外の部分を示す横断面図である。 本発明の第２実施の形態に係る熱交換器を示す分解斜視図である。 第２実施の形態に設けられるタンク部の凹部の部分を示す横断面図である。 図７のＣ−Ｃ線に沿って示す縦断面図である。 図７のＤ−Ｄ線に沿って示す縦断面図である。 第２実施の形態に設けられるタンク部の凹部以外の部分を示す横断面図である。 本発明の第３実施の形態に設けられるタンク部の凹部の部分を示す横断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器を示す分解斜視図である。 第４実施の形態に設けられるタンク部の凹部の部分を示す横断面図である。 第４実施の形態に設けられるタンク部の凹部以外の部分を示す横断面図である。 図１３のＥ−Ｅ線に沿って示す縦断面図である。 図１３のＦ−Ｆ線に沿って示す縦断面図である。 第５実施の形態に設けられるタンク部の凹部の部分を示す横断面図である。 一般的な熱交換器の全体構成を示す斜視図である。 熱交換器の従来例を示す分解斜視図である。 熱交換器の他の従来例を示す横断面図である。 図２０の熱交換器の分解斜視図である。

符号の説明

２ チューブ
２３ ヘッダタンク
２４ 流通部
２５ タンク部
２６ チューブ挿入孔
２７ プレート部
２８ 凹部（連通部）
２９ 傾斜面（チューブ位置決め部）
３０ 膨出部
３１ 折曲部
３２、４１ 切欠き部
３３ 傾斜面
３４ 平坦面
４２ 勘合部
５１ スペース

Claims (5)

1. 互いに間隔を隔てて並行に配置されるチューブ（２）と、これらのチューブ（２）の積層方向に延びる一対のヘッダタンク（２３）とを有し、この一対のヘッダタンク（２３）が、内部に冷媒が流通する流通部が形成されるタンク部（２５）と、前記チューブ（２）の両端部が挿入されるチューブ挿入孔（２６）を有するプレート部（２７）とから構成される熱交換器であって、
   前記タンク部（２５）の前記チューブ挿入孔（２６）と対向する部分に、前記チューブ（２）の内部および前記タンク部（２５）の内部を連通する連通部が設けられ、前記タンク部（２５）の前記チューブ（２）の端部と対向する部分に、前記連通部を形成し前記チューブ（２）の端部を受入れる凹部（２８）を設け、この凹部（２８）の長手方向端部に、チューブ位置決め部を設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記タンク部（２５）の少なくとも前記チューブ位置決め部を形成した面にロウ材を付さず、前記プレート部（２７）の両面にロウ材を付したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記チューブ位置決め部に前記ロウ材を吸収するためのスペース（５１）を設けたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記タンク部（２５）および前記プレート部（２７）を、それぞれプレス加工により成型することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記タンク部（２５）のプレス加工を行なう際に、前記チューブ位置決め部および連通部を成型するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
   

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