JP5868597B2 - 溝無しヘッダプレート - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の分野に関し、特に原動機付き車両用の熱交換器の分野に関する。

本発明は、更に詳細には、エンジン冷媒ラジエータのような熱交換器に取り付けられるヘッダタンクに関する。このタイプのラジエータでは、従来から、チューブ群、及びチューブ群の間に配置されるインサート群を使用して、熱交換器コアが構成され、ヘッダタンクは、少なくとも２つの部品を有し、これらの部品のうちの一方は、熱交換器コアのチューブ群の端部を受け入れて、固定するようになっているヘッダプレートであり、他方は、ヘッダプレートに固定されて、ヘッダプレートを少なくとも部分的に閉じるように構成されているカバーである。

ヘッダタンクには、ほぼ２つのタイプがある。すなわち「全金属」タイプとプラスチックから成るカバーを備えるタイプとである。「全金属」タイプのヘッダタンクは、プラスチックカバーを有し、かつカバーとヘッダプレートとの完全な防水接続のためのシール手段、すなわち弾性シールガスケットを取り付けるタイプの従来のヘッダタンクに比して、多く利点を有する。

ヘッダプレートは、シールガスケットの取り付け、及び位置決めに用いられる溝または流路を有する。カバーをシールガスケット上に配置し、次にヘッダプレートを、例えばヘッダプレートの周辺に位置する複数の歯を使用して係着する。

しかし、ヘッダタンクの寸法を小さくするという観点から、幾つかのヘッダプレートには溝または流路を設けないで、シールガスケットを位置決めし、そして所定の位置に保持する作業を容易にしている。この溝無し、または流路無しヘッダプレートは、本出願人の名前で出願されている特許文献１に開示されている。

この最後のタイプのヘッダプレートでは、カバーをヘッダプレートに固定するために採用される圧着作業または同様の作業において、大きな問題が生じる。この問題は、この作業時に、ヘッダプレートが非常に大きい局部圧力を受け、かつ溝を全く設けない（少なくとも１つの段部を設けて、非常に大きい軸方向強度を付与する）ために、ヘッダプレートの強度が大幅に低下（ヘッダプレートのエッジ付近で、かつチューブ群のために設けられるヘッダプレートのソケット群の位置において）することである。そのため、ヘッダプレートが圧着作業時に壊れ易く、またはこの圧着作業により、大きなダメージを受けて、ヘッダタンクのシール状態が悪くなり、またヘッダタンクの寿命が、シール状態の悪化によって極めて短くなる。

特許文献２は、この問題を解決している。この文献において提案されている解決策では、ヘッダプレートの周辺を変形させて、圧着時のヘッダプレートの強度を高めている。しかし、この方策を実施するのは非常に難しく、かつこの方策によると、寸法が大となるという大きな問題がある。

欧州特許第ＥＰ１７０２１９１号公報 フランス国特許第ＦＲ２８６７５５３号公報

類似の解決策も知られているが、いずれこの解決策でも、同じように、溝無しヘッダプレート、または流路無しヘッダプレートの受孔群の間に変形を生じさせ、このような状態でも、ヘッダプレートを係合作業後に使用することができるようにしている。この場合も、同じように、実施するのは非常に難しい。

更に、従来技術による別の溝無しヘッダプレートまたは流路無しヘッダプレートでは、ガスケットを所定の位置に保持し、このガスケットを使用し、プレートに固定されるカバーを押圧してシール状態を保持する必要があるという別の問題がある。溝または流路を有するタンクでは、溝または流路は、ガスケットを位置決めするために使用される。平坦プレートにおけるように、溝または流路を設けない場合、ガスケットを位置決めするのは非常に難しい。しかも、ガスケットの位置決め精度が低くなると、ガスケットに捩れを生じたりし、またガスケットの圧縮が不十分である場合には、漏れがプレートとカバーとの間に生じるという危険がある。この難しさによって従来、平板プレート式熱交換器の使用が大きく制限されていた。

本発明の目的は、従来溝無しヘッダプレート、または流路無しヘッダプレートにおける不具合を除去し、カバーとヘッダプレートとの間で、ヘッダプレート、ヘッダプレートのソケット群、またはチューブ群の端部にダメージを与えることなく、かつ同時に、正しいガスケット位置決めを確保しながら最適な取付けを行いうる方策を提案することにより解決することにある。

そのために、本発明は、平坦面（ＸＸ）に沿って延在する熱交換器用溝無しヘッダプレートにあって、その周辺に設けられた複数の係合歯（２０）と、少なくとも１つの流体が流れる複数のチューブまたはその類似物を固定しうるようになっている複数の受孔またはソケットとを備え、隣接する２つの受孔またはソケットの間の距離、すなわち「チューブ間隔」（ｐ）は、９．５ｍｍ未満であり、上記複数の係合歯（２０）は、それぞれ上記溝無しヘッダプレートの長辺と平行な方向に沿って幅寸法（ｌ）を有し、上記溝無しヘッダプレートは、これらの係合歯の合計幅と、上記溝無しヘッダプレートの直線部分とみなしうる上記長辺の長さ（Ｌ）との比として定義される係合歯密度を有し、上記チューブ間隔に対する上記係合歯密度の比は、０．０４〜０．１７（ｍｍ ^−１ ）の範囲である（但し、この比が０．０４〜０．１７（ｍｍ ^−１ ）の範囲内となるように、上記チューブ間隔と上記係合歯密度の組合せが選択される）ことを特徴とする。

溝無しヘッダプレートにおいて、平坦面と云う場合に意味するところは、ソケット群が従来のように、ソケットの周辺で突出していることを除くと、溝無しヘッダプレートは単一の平坦面内に存在し、溝無しヘッダプレートは溝を有せず、かつ構造的補強部（溝無しヘッダプレートの平均平面に対して上方に、または下方に突出する）を有せず、流路または類似物を有せず、これらの溝無しヘッダプレートの構成要素は、シール手段（従来のような弾性ガスケット）を収容するために使用され、かつカバーを溝無しヘッダプレートに固定するために、溝無しヘッダプレートを、係合歯または歯の類似物を圧着するときに補強する機能も有するということである。

本発明の他の有利な態様を次に列挙する。
−隣接する２つの受孔またはソケットの間の距離、または「チューブ間隔」ｐは、５〜８ｍｍの範囲である。
−前記ソケット群の高さは、１〜５ｍｍの範囲であり、特に１〜２．５ｍｍの範囲である。

上記複数の係合歯は、離間しており、これらの係合歯によって、プレートの周辺はギザギザの外観を呈している。これらの係合歯は、前記溝無しヘッダプレートの長辺と平行をなす方向に寸法１を有する。係合歯密度の、これらの歯の合計幅と、溝無しヘッダプレートの直線部分に含まれると考えられる長辺の長さＬ、すなわち、この溝無しヘッダプレートに丸み半径を付けた場合の溝無しヘッダプレートの端部領域を除外した前記長辺の長さＬとの比であるとして定義することができる。

前記溝無しヘッダプレートの圧着時の強度を更に向上させるために、前記チューブの間隔に対する前記係合歯の密度の比は、０．０４〜０．１７の範囲、例えば０．０６〜０．０９の範囲に収まるように選択される。

本発明は更に、上に定義した構成の溝無しヘッダプレートと、カバーとを含むヘッダタンクに関するものである。前記溝無しヘッダプレートの厚さ、または前記溝無しヘッダプレートを構成する部品の厚さは、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲であり、好ましくは０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲である。

前記タンクには、前記溝無しヘッダプレートの周辺に、かつ前記溝無しヘッダプレートと前記カバーとの間に配置されるガスケットを設ける。ガスケットの位置決め精度を高めるために、ｐを前記「チューブ間隔」とし、ｈを「チューブ高さ」またはチューブ群が挿通するオリフィス群の短軸の寸法であるとした場合に、前記ガスケットの直径ｄに対する（ｐ−ｈ）の比を１〜３の範囲とする。別の表現をすると、（ｐ−ｈ）／ｄは、１〜３の範囲、例えば１．５〜２．５の範囲である。

ガスケットの直径ｄとは、ガスケットが円形ではない場合においては、同じ断面積を有する円形ガスケットとしたときの直径を指す。

本発明は、ろう付け熱交換器、及びいわゆる「機械」的熱交換器の両方に適用することができる。この機械的熱交換器では、前記ヘッダタンクの構成部品群、すなわち従来の如く、溝無しヘッダプレート及びカバーが、機械手段、例えば圧着手段、締め付け手段、または類似の手段を介して恒久的に一括して固定される。いわゆる「ろう付け」熱交換器では、カバーを溝無しヘッダプレートに圧着するか、または付け足す工程を除き、熱交換器を形成するために、機械的に固定する工程を全く用いることがないことに注目されたい。ちなみに、ヘッダタンクの部品群、及び熱交換器の部品群は、一括してろう付けされる。

従って、本発明は、ろう付け熱交換器、特に原動機付き車両用の熱交換器に関するものであり、この熱交換器は、複数のチューブまたは類似物から成る熱交換器コアを備え、これらのチューブの端部は、２つのヘッダタンクにそれぞれ固定され、前記２つのヘッダタンクは、上に詳述したヘッダタンクであることを特徴としている。

本発明は更に、熱交換器、特に原動機付き車両用の熱交換器にも関するものであり、この熱交換器は、複数のチューブまたは類似物から成る熱交換器コアを備え、これらのチューブの端部は、２つのヘッダタンクにそれぞれ固定され、前記ヘッダタンクを構成する部品群は、一括して機械的に固定され、前記２つのヘッダタンクは、上に詳述したヘッダタンクであることを特徴としている。

前記交換器は、以下の特徴のうちの少なくとも１つの特徴を有しているのが好ましい。
−前記チューブ群の高さｈは、１〜８ｍｍの範囲、特に１〜５ｍｍの範囲、好ましくは１〜２ｍｍの範囲である。
−前記チューブ群の端部の側方エッジは、円形または矩形の断面を有する。
−前記チューブ群の板厚は、０．１５〜０．５ｍｍの範囲、特に０．１５〜０．３５ｍｍの範囲、そして好ましくは０．１５〜０．２７ｍｍの範囲である。

実施例を通じて行う以下の記述では、添付の図面を参照する。

ヘッダプレートの受孔またはソケットにチューブの端部を受け入れ、ヘッダプレート及びヘッダプレートのソケットに、またはチューブの端部に加わる力を受けるように構成されている先行技術におけるヘッダプレートの一部を示す模式断面図である。 ヘッダプレートの受孔またはソケットに、チューブの端部を受け入れ、ヘッダプレート、及びヘッダプレートのソケットに、またはチューブの端部に加わる力を受けるように構成されている本発明によるヘッダプレートの一部を示す模式断面図である。 本発明によるヘッダプレートの部分断面図であり、図２の切断線III−IIIにおける拡大断面図、すなわち、前記プレートの長手方向の断面図である。 本発明によるヘッダプレートの別の実施形態の一部の略断面図、すなわち図２の切断線III−IIIにおける断面図である。

図１は、ヘッダプレート１の一部分断面を示し、従来技術におけるヘッダタンク（「コレクタ」と呼ばれることもある）のための受孔２（またはソケット）を示している。図１は更に、ヘッダプレート１に作用する力、従ってヘッダプレート１に設けられているソケットまたは受孔２に、またはチューブの端部に作用する力３，３’を示している。

本発明のヘッダタンクは、ヘッダプレート１を備えている。ヘッダプレート１の機能は、チューブ群の端部を一括して集めることである。このヘッダプレート１は、１つの平面内に延在し、かつギザギザ、流路、段部、その他のいかなる変形部も有しない。ヘッダプレートの目的は、構造的補強のためであるが、その理由は、本発明の目的が、ヘッダプレート１及びヘッダプレート１の受孔（ソケット）２を、従ってチューブの端部を、ヘッダプレート１の圧着時、及びヘッダプレート１の圧着後に補強する、有利な解決策を提供することにあるからである。

本発明に特有の態様とは別に、ヘッダタンクは、通常の方法により製造されるもので、例えば本出願人の名前で出願されている欧州特許第ＥＰ１７０２１９１号公報に記載されているヘッダタンクと技術的に異なるものではない。ろう付け熱交換器、すなわち「機械」型熱交換器にも、本発明を適用することができる。

従来技術におけるヘッダタンクは、おおむね矩形、円形、または類似の形状の受孔（ソケット）を備えている。２つの受孔２の間の距離は、チューブ間隔ｐ’に対応し、少なくとも１２ｍｍ以上である。従って、この実施形態では、圧着時は、力３がヘッダプレート１の周辺に加わり、この力は受孔２の側端部３’、またはチューブの端部のほぼ全体に亘って広がるが、受孔２のこの部分、またはチューブの端部のこの部分は非常に脆い。従って、これらの側端部に加わる力３は非常に大きく、ヘッダプレート１に、またはソケット２の前記側端部に、或いはチューブ群の端部にダメージを与える。

驚くべきことに、本出願人は、この技術的問題に対する１つの解決策として、チューブ間隔ｐを特定の範囲内に収めればよいということを見出した。チューブ間隔ｐのこの範囲、すなわち隣接する２つの受孔２の中央部間の距離は、最も大きい場合に、９．５ｍｍ未満である。更に、チューブ間隔ｐ、及びチューブの高さｈの両方にとって特に有利な範囲も、本出願人は見出している。

受孔については、ヘッダプレート１０のうち、ヘッダプレートの平均面ＸＸより上方に突出するか、または垂下する部分における受孔１２とは異なり、チューブ１１を受け入れるために、単にヘッダプレート１０に設けられている。理解を明確にするために、受孔１５を有するヘッダプレート１０を図３に示し、受孔（ソケット）１２を有するヘッダプレート１０を図４に示してある。これらの２つのヘッダプレート１０には、それぞれ、チューブ１１の幅と同じ寸法の複数の孔が設けられている。

図示していないカバーが、ヘッダプレートに、この技術分野の当事者によく知られており、かつ習得されている方法で、例えば図３に示す複数の係合歯２０を使用して固定される。すなわち、これらの係合歯２０をヘッダプレート１０に設け、ヘッダプレート１０をカバーのエッジに圧着する。

これらの係合歯２０を、ヘッダプレート周辺、すなわちヘッダプレート１０の側部フランジ４０に設け、側部エッジ４０でヘッダプレートの平坦部８０を囲み、この平坦部８０に、チューブ１１を挿通するための受孔１２を設ける。前記係合歯２０は、離間しており、これらの歯によって、ヘッダプレートの側部フランジ４０の上側部は、ギザギザ状となっている。

ヘッダプレート１０をなす各係合歯２０の幅はｌである。更に、前記ヘッダプレート１０は、一方において、これらの凹凸歯の合計幅と、他方において、ヘッダプレート１０の直線部分とみなしうる前記長辺の長さＬ、すなわちこの例では、側部フランジ４０の横方向部分６０と縦方向部分７０を接続する半径部分５０を考慮に入れない場合の長辺の長さＬとの比である圧着歯密度を有する。チューブの間隔に対する圧着歯の密度は、例えば０．０４〜０．１７の範囲である。

本発明による交換器のヘッダタンクの圧縮前のシールガスケット３０を、図３に示してある。このガスケットは、ヘッダプレートの平坦部８０の周辺に、かつタンクに向かって開口するチューブ群の端部と、プレートの側方エッジ４０との間に配置されている。

ガスケット３０の直径ｄに対するｐ−ｈの比は、１〜３の範囲であるのがよい。

１ ヘッダプレート
２ 受孔（ソケット）
３ 力
３’ 側端部
１０ ヘッダプレート
１１ チューブ
１２ 受孔（ソケット）
１５ 受孔
２０ 係合歯
３０ ガスケット
４０ 側部フランジ
５０半径部分
６０横方向部分
７０縦方向部分
８０平坦部
ｄガスケットの直径
ｈチューブの高さ
ｌ歯の幅
ｐチューブ間隔
Ｌ長辺の長さ

Claims (19)

1. 平坦面（ＸＸ）に沿って延在する熱交換器用溝無しヘッダプレート（１）であって、その周辺に設けられた複数の係合歯（２０）と、少なくとも１つの流体が流れる複数のチューブまたはその類似物を固定するようになっている複数の受孔（またはソケット）（２）とを備え、
   隣接する２つの受孔（またはソケット）（２）の間の距離、すなわち「チューブ間隔」（ｐ）は９．５ミリメートル（ｍｍ）未満であり、
   前記複数の係合歯（２０）は、それぞれ前記溝無しヘッダプレートの長辺と平行な方向に沿って幅寸法（ｌ）を有し、前記溝無しヘッダプレートは、これらの係合歯の合計幅と、前記溝無しヘッダプレートの直線部分とみなしうる前記長辺の長さ（Ｌ）との比として定義される係合歯密度を有し、前記チューブ間隔に対する前記係合歯密度の比は、０．０４〜０．１７（ｍｍ ^−１ ）の範囲である（但し、この比が０．０４〜０．１７（ｍｍ ^−１ ）の範囲内となるように、前記チューブ間隔と前記係合歯密度の組合せが選択される）ことを特徴とする溝無しヘッダプレート（１）。
2. 隣接する２つの受孔（またはソケット）（２）の間の前記距離、すなわち「チューブ間隔」（ｐ）は、５〜８ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の溝無しヘッダプレート（１）。
3. 前記受孔（ソケット）（２）の高さは、１〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載の溝無しヘッダプレート（１）。
4. 前記受孔（ソケット）（２）の高さは、１〜２．５ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項３に記載の溝無しヘッダプレート（１）。
5. 熱交換器のヘッダタンクであって、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溝無しヘッダプレート（１）と、前記ヘッダタンクを前記溝無しヘッダプレート（１）に固定するときに、少なくとも部分的に閉じるように構成されている「カバー」として知られる少なくとも１つの部品と、前記溝無しヘッダプレート（１）及び前記カバーの間に配置されているシール手段とを備えるヘッダタンク。
6. 前記シール手段は、ガスケット（３０）から成り、ｐを前記「チューブ間隔」とし、ｈを、前記チューブ群が挿通するオリフィス群の短軸の寸法であるとした場合に、前記ガスケットの直径ｄに対する（ｐ−ｈ）の比は、１〜３の範囲である、請求項５に記載のヘッダタンク。
7. 前記ヘッダタンクの材料厚、または前記ヘッダタンクを構成する前記部品群の材料厚は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項５又は６に記載のヘッダタンク。
8. 前記ヘッダタンクの材料厚、または前記ヘッダタンクを構成する前記部品群の材料厚は、０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項７に記載のヘッダタンク。
9. ろう付け熱交換器であって、複数のチューブまたはその類似物から成る熱交換器コアを備え、これらのチューブまたはその類似物の端部は、２つのヘッダタンクにそれぞれ固定され、前記２つのヘッダタンクは、請求項５〜８のいずれか１項に記載のヘッダタンクであることを特徴とする、熱交換器。
10. 原動機付き車両用であることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
11. 熱交換器であって、複数のチューブまたはその類似物から成る熱交換器コアを備え、これらのチューブまたは類似物の端部は、２つのヘッダタンクにそれぞれ固定され、前記ヘッダタンクを構成する部品群は、一括して機械的に固定され、前記２つのヘッダタンクは、請求項５〜８のいずれか１項に記載のヘッダタンクであることを特徴とする、熱交換器。
12. 原動機付き車両用であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記チューブ群の高さ（ｈ）は、１〜８ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の熱交換器。
14. 前記チューブ群の高さ（ｈ）は１〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記チューブ群の高さ（ｈ）は１〜２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器。
16. 前記チューブ群の端部の側方エッジは、円形、または矩形の断面を有することを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の熱交換器。
17. 前記チューブ群の材料厚さは、０．１５〜０．５ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の熱交換器。
18. 前記チューブ群の材料厚さは０．１５〜０．３５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。
19. 前記チューブ群の材料厚さは０．１５〜０．２７ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１８に記載の熱交換器。

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