JP5870845B2

JP5870845B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5870845B2
Application number: JP2012118883A
Authority: JP
Inventors: 木全　充; 充木全; 昌宏竹下; 弘晃加藤
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013245858A

Description

本発明は、冷却液体と気体とを熱交換させて気体を冷却する熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器として、ケースに形成された開口部からケース内に直方体のコアを挿入した後、フランジをケースに結合してそのフランジにて開口部を覆うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、特許文献１に示された熱交換器は、冷却液体の入口部および出口部となる冷却液体パイプがフランジに形成された孔を貫通して冷却液体パイプの先端側が外部に突出し、冷却液体パイプとフランジとの隙間はＯリングにてシールされている。

また、コアにおける反フランジ側の面とケースとの間には板状の弾性部材が配置され、フランジをケースに結合することによりコアを介して弾性部材が圧縮されるようになっている。因みに、この弾性部材は、コアのがたつきを抑制する機能とシール機能とを発揮する。

国際公開第２０１０／１０２９４７号パンフレット

しかしながら、従来の熱交換器は、冷却液体パイプとフランジとによってＯリングはその軸方向両側から挟持されるため、すなわち、Ｏリングは軸方向に圧縮されるため、弾性部材の圧縮具合によりＯリングの圧縮率が変化し、シール不良を起こす可能性がある。

また、弾性部材は高温環境下にあるため耐熱性に富む高価な材料（例えばフッ素ゴム）を使用する必要がある。

さらに、高温環境下（１８０℃以上）でも弾性部材とコアの接着を維持できる安価な接着剤はないため、弾性部材をケース側に置いてから熱交換器を組み付ける必要があり、組み付けにくい。

さらにまた、弾性部材が脱落したり或いは欠けたりして下流に流れていった場合、下流側の各機器に不具合を発生させる虞がある。

本発明は上記点に鑑みて、冷却液体パイプとフランジとの間のシール性を向上させること、弾性部材の耐熱性要求値を下げること、および、弾性部材の脱落や欠けによる下流側機器の不具合を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ケース（１）に形成されたケース開口部（１ｂ）から挿入されてケース内の気体通路（１ａ）に配置され、内部を流通する冷却液体と気体通路を流通する気体との熱交換を行う直方体のコア（２０）と、ケースに結合されてケース開口部を覆うフランジ（２３）と、コアに対して冷却液体の分配・集合を行うタンク（２１）と、タンクに接合されるとともにフランジを貫通して先端側が外部に突出し、冷却液体の入口部および出口部となる冷却液体パイプ（２２）とを備える熱交換器であって、フランジは、コアの挿入方向に沿って延びる円柱状空間であるフランジ孔（２３４）が形成された有底円筒状のフランジ円筒部（２３１）を備え、フランジ円筒部の底部（２３５）には、フランジ孔と外部とを連通させるフランジ底部貫通孔（２３６）が形成され、冷却液体パイプは、フランジ底部貫通孔よりも大径でフランジ孔に挿入されるパイプ大径円筒部（２２０）と、パイプ大径円筒部におけるフランジ円筒部の底部に対向する底部対向面（２２１）からコアの挿入方向に沿って延びるとともに、フランジ底部貫通孔を貫通して外部に突出するパイプ部（２２２）とを備え、コアにおける反フランジ側の端面をケースに押し付ける弾性力を発生する弾性部材（２５）が、フランジ円筒部の底部と底部対向面との間に圧縮された状態で配置され、フランジ円筒部の内周面とパイプ大径円筒部の外周面とに接して気体通路と外部とを遮断する環状のシール部材（２４）が、パイプ大径円筒部に装着されており、弾性部材は環状のシール部材よりもケースの外部側に位置していることを特徴とする。

これによると、シール部材はその径方向に圧縮される所謂円筒シール構成になり、フランジ円筒部とパイプ大径円筒部との相対位置がずれても圧縮率は変化しないため、冷却液体パイプとフランジとの間のシール性を向上させることができる。

また、弾性部材は、シール部材よりも外部側に位置して高温の気体とは接触しないため、従来よりも耐熱性要求値を下げることができる。

さらに、弾性部材は、シール部材よりも外部側、すなわち気体通路外に位置するため、弾性部材の脱落や欠けによる下流側機器の不具合を防止することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。図１の熱交換器の右側面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図１のフランジの正面断面図である。図１のフランジの下面図である。図３の弾性部材の平面図である。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。本発明の第２実施形態に係る熱交換器における弾性部材の平面図である。図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本発明の第３実施形態に係る熱交換器における弾性部材近傍の正面断面図である。本発明の第４実施形態に係る熱交換器における冷却液体パイプの正面断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の熱交換器は、燃料電池車両において燃料電池の各単セルに供給される空気の冷却に用いられる。

図１、図２に示すように、ケース１の内部には、図示しない空気圧縮機にて圧縮された空気を図示しない燃料電池の各単セルに導く気体通路１ａが形成されている。ケース１の上壁面には、気体通路１ａと外部とを連通させる矩形状のケース開口部１ｂが形成されている。

図１〜図３に示すように、熱交換器２は、内部を流通する冷却水と気体通路１ａを流通する空気との熱交換を行う直方体のコア２０、コア２０に対して冷却水の分配・集合を行うタンク２１、冷却水の入口部および出口部となる冷却液体パイプ２２、および、ケース開口部１ｂを覆うフランジ２３を備えている。

コア２０は、冷却水が流通する扁平状のチューブ２００が上下方向に多数積層され、隣接するチューブ２００間に、空気との伝熱面積を増大させてチューブ２００内を流通する冷却水と気体通路１ａを流通する空気との熱交換を促進するフィン２０１が配置され、さらに、チューブ２００の積層方向両端に補強用のサイドプレート２０２が配置されている。

タンク２１は、チューブ２００の長手方向両端に配置され、チューブ２００と連通している。そして、一方のタンク２１から各チューブ２００に冷却水が分配され、各チューブ２００を通過した冷却水が他方のタンク２１に集合するようになっている。

冷却液体パイプ２２は、タンク２１の上端部に接合されている。この冷却液体パイプ２２は、図示しないホースを介して図示しないラジエータと接続されており、熱交換器２とラジエータとの間で冷却水が循環するようになっている。

コア２０、タンク２１、および冷却液体パイプ２２は、ロー付け等にて一体化される。以下、この一体化されたものを熱交換器本体部という。

熱交換器本体部は、ケース開口部１ｂの上方からケース１内に挿入され、コア２０およびタンク２１の部分が気体通路１ａに配置される。そして、コア２０およびタンク２１をケース１内に挿入した後にフランジ２３がケース１に結合されて、ケース開口部１ｂが覆われるようになっている。なお、このときの熱交換器本体部を挿入する方向を、以下、コア挿入方向という。

図３〜図６に示すように、フランジ２３は、ケース開口部１ｂを覆う平板状のフランジ板部２３０と、フランジ板部２３０から外部に向かって突出する有底円筒状のフランジ円筒部２３１と、フランジ板部２３０からコア２０に向かって突出する２つのリブ２３２を備えている。なお、フランジ２３は、ダイキャスト等により製作される。

フランジ板部２３０の外縁部近傍には、図示しないボルトを通すボルト通し孔２３３が複数形成されている。そして、そのボルトをボルト通し孔２３３に通してケース１に螺合させることにより、フランジ２３がケース１に結合される。

フランジ円筒部２３１内には、コア挿入方向に沿って延びる円柱状空間であるフランジ孔２３４が形成されている。フランジ円筒部２３１の底部２３５には、フランジ孔２３４と外部とを連通させるフランジ底部貫通孔２３６が形成されている。

リブ２３２は、チューブ２００の長手方向に沿って延びるとともに、コア２０に向かって突出してその先端がサイドプレート２０２に近接している。これにより、フランジ２３とサイドプレート２０２との間の隙間を減少させて、フランジ２３とサイドプレート２０２との間の風漏れ（内部リーク）を防ぐようにしている。

また、２つのリブ２３２を空気流れ方向に沿って配置して、リブ２３２とサイドプレート２０２とによって空気流れ方向に沿って迷路構造が形成されるようにしており、これにより、フランジ２３とサイドプレート２０２との間の風漏れをより確実に防ぐようにしている。

図３に示すように、冷却液体パイプ２２は、フランジ底部貫通孔２３６よりも大径でフランジ孔２３４に挿入されるパイプ大径円筒部２２０と、パイプ大径円筒部２２０におけるフランジ円筒部２３１の底部２３５に対向する底部対向面２２１からコア挿入方向に沿って延びるとともにフランジ底部貫通孔２３６を貫通して外部に突出するパイプ部２２２とを備えている。なお、冷却液体パイプ２２は、切削加工またはダイキャスト等により製作される。

また、冷却液体パイプ２２は、パイプ大径円筒部２２０における底部対向面２２１とは反対側の反底部対向面２２３にて、タンク２１と接合されている。

パイプ大径円筒部２２０の外周部には、環状のシール部材２４が挿入される環状のパイプ大径円筒部溝２２４が形成されている。シール部材２４は、所謂Ｏリングであり、耐熱性に富む弾性材料（例えばフッ素ゴム）よりなり、フランジ円筒部２３１の内周面とパイプ大径円筒部溝２２４の外周面とに接して、気体通路１ａと外部とを遮断している。

図３、図７、図８に示すように、フランジ円筒部２３１の底部２３５とパイプ大径円筒部２２０の底部対向面２２１との間には、フッ素ゴムよりも安価で耐熱性が低い材料（例えばＮＢＲ）よりなる弾性部材２５が配置されている。

弾性部材２５は、三角形状の弾性部材板部２５０の各角部に、コア挿入方向に沿って延びる円柱状の弾性部材凸部２５１が形成され、弾性部材板部２５０の中心部に、パイプ部２２２が挿入される弾性部材貫通孔２５２が形成されている。

そして、弾性部材２５は、弾性部材凸部２５１がフランジ円筒部２３１の底部２３５とパイプ大径円筒部２２０の底部対向面２２１とに圧縮状態で挟持されて弾性力を発生し、その弾性力により、コア２０における反フランジ側の端面（すなわち、図１の紙面におけるコア２０の下端面）をケース１に押し付けるようになっている。

次に、本実施形態の熱交換器２をケース１に組み付ける手順について説明する。まず、熱交換器本体部における冷却液体パイプ２２のパイプ大径円筒部溝２２４にシール部材２４を装着し、弾性部材貫通孔２５２にパイプ部２２２を挿入して弾性部材２５をパイプ大径円筒部２２０の底部対向面２２１上に載せる。ここで、弾性部材貫通孔２５２にパイプ部２２２を挿入することにより、弾性部材２４をパイプ部２２２に位置決めすることができるため、熱交換器２をケース１に組み付ける際の組み付け性が向上する。

続いて、シール部材２４および弾性部材２５を装着した熱交換器本体部を、ケース開口部１ｂの上方からケース１内に挿入して、熱交換器本体部におけるコア２０およびタンク２１の部分を気体通路１ａに配置する。この状態では、コア２０における反フランジ側の端面はケース１に当接している。

続いて、フランジ孔２３４にパイプ部２２２およびパイプ大径円筒部２２０を挿入した後に、フランジ板部２３０のボルト通し孔２３３にボルトを通し、そのボルトをケース１に螺合させてフランジ２３をケース１に結合し、フランジ２３によりケース開口部１ｂを覆う。以上により、熱交換器２のケース１への組み付けが完了する。

本実施形態によると、シール部材２４は、その外周面がフランジ円筒部２３１の内周面と接し、その内周面がパイプ大径円筒部溝２２４の外周面に接して、その径方向に圧縮される。すなわち、このシール部材２４を用いたシール部は、所謂円筒シール構成である。そして、円筒シール構成では、フランジ円筒部２３１とパイプ大径円筒部２２０との挿入方向の相対位置がずれてもシール部材２４の圧縮率は変化しないため、冷却液体パイプ２２とフランジ２３との間のシール性を向上させることができる。

また、弾性部材２５は弾性部材凸部２５１が所定量圧縮されて弾性力を発生する。そして、その弾性力によりコア２０における反フランジ側の端面がケース１に押し付けられ、コア２０のがたつきが抑制される。

さらに、コア２０に流入する空気は空気圧縮機にて圧縮されて高温になっているが、弾性部材２５は、シール部材２４よりも外部側に位置しており、高温の空気とは接触しないため、従来よりも耐熱性要求値を下げることができる。したがって、耐熱性が低い安価な材料を用いることができる。

さらにまた、弾性部材２５は、シール部材２４よりも外部側、すなわち気体通路１ａ外に位置するため、弾性部材２５の脱落や欠けによる不具合（コア２０よりも下流側の各機器への影響）を防止することができる。

また、リブ２３２によりフランジ２３とサイドプレート２０２との間の隙間を減少させているため、フランジ２３とサイドプレート２０２との間の風漏れを低減することができる。

さらに、リブ２３２とサイドプレート２０２とによって空気流れ方向に沿って迷路構造を形成しているため、フランジ２３とサイドプレート２０２との間の風漏れをより一層低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に係る熱交換器における弾性部材２５を変更したものである。なお、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図９、図１０に示すように、弾性部材２５は、コア挿入方向に沿って延びる円筒状の弾性部材円筒部２５３を備えている。弾性部材円筒部２５３内に円形の弾性部材板部２５０が設けられ、弾性部材板部２５０の中心部に弾性部材貫通孔２５２が形成されている。

そして、弾性部材２５は、弾性部材円筒部２５３がフランジ円筒部２３１の底部２３５（図３参照）とパイプ大径円筒部２２０の底部対向面２２１（図３参照）とに圧縮状態で挟持されて弾性力を発生し、その弾性力により、コア２０（図１参照）における反フランジ側の端面をケース１（図１参照）に押し付けるようになっている。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に係る熱交換器における弾性部材２５を変更したものである。なお、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図１１に示すように、弾性部材２５は、コア挿入方向に沿って延びる円筒状の弾性部材大径円筒部２５４と、この弾性部材大径円筒部２５４よりも外径が小で、且つコア挿入方向に沿って延びる円筒状の弾性部材小径円筒部２５５とを備えている。

そして、弾性部材２５は、弾性部材大径円筒部２５４がフランジ円筒部２３１の底部２３５とパイプ大径円筒部２２０の底部対向面２２１とに圧縮状態で挟持されて弾性力を発生し、その弾性力により、コア２０（図１参照）における反フランジ側の端面をケース１（図１参照）に押し付けるようになっている。

また、弾性部材小径円筒部２５５は、フランジ底部貫通孔２３６に挿入されるとともに、その先端部がフランジ底部貫通孔２３６から外部に突出している。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、熱交換器２をケース１に組み付けた後に、弾性部材小径円筒部２５５の先端部を目視にて確認することができるため、弾性部材２５の組み付け忘れを防止することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に係る熱交換器における冷却液体パイプ２２を変更したものである。なお、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図１２に示すように、冷却液体パイプ２２は、パイプ大径円筒部２２０とパイプ部２２２とを別々に製作した後に、それらをロー付けにて一体化している。パイプ大径円筒部２２０は、プレス加工にて製作する。パイプ部２２２は、円筒パイプを切断して用いる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、冷却液体パイプ２２は、切削加工またはダイキャスト等により製作する場合と比較して、加工が容易である。さらに、冷却液体パイプ２２は、切削加工により製作する場合と比較して、切削くずが出ない分、材料使用量が少なくなる。

なお、本実施形態は、上記各実施形態と組み合わせが可能である。

（他の実施形態）
上記各実施形態において、フランジ板部２３０とケース１との間にガスケットを介在させてもよい。

また、上記各実施形態では、本発明を、燃料電池に供給される空気を冷却する熱交換器に適用したが、本発明は、その他の用途の熱交換器にも適用することができる。

１ケース
２０コア
２１タンク
２２冷却液体パイプ
２３フランジ
２４シール部材
２５弾性部材
１ａ気体通路
１ｂケース開口部
２２０パイプ大径円筒部
２２１底部対向面
２２２パイプ部
２３１フランジ円筒部
２３４フランジ孔
２３５フランジ円筒部の底部
２３６フランジ底部貫通孔

Claims

ケース（１）に形成されたケース開口部（１ｂ）から挿入されて前記ケース内の気体通路（１ａ）に配置され、内部を流通する冷却液体と前記気体通路を流通する気体との熱交換を行う直方体のコア（２０）と、
前記ケースに結合されて前記ケース開口部を覆うフランジ（２３）と、
前記コアに対して冷却液体の分配・集合を行うタンク（２１）と、
前記タンクに接合されるとともに前記フランジを貫通して先端側が外部に突出し、冷却液体の入口部および出口部となる冷却液体パイプ（２２）とを備える熱交換器であって、
前記フランジは、前記コアの挿入方向に沿って延びる円柱状空間であるフランジ孔（２３４）が形成された有底円筒状のフランジ円筒部（２３１）を備え、
前記フランジ円筒部の底部（２３５）には、前記フランジ孔と外部とを連通させるフランジ底部貫通孔（２３６）が形成され、
前記冷却液体パイプは、前記フランジ底部貫通孔よりも大径で前記フランジ孔に挿入されるパイプ大径円筒部（２２０）と、前記パイプ大径円筒部における前記フランジ円筒部の底部に対向する底部対向面（２２１）から前記コアの挿入方向に沿って延びるとともに、前記フランジ底部貫通孔を貫通して外部に突出するパイプ部（２２２）とを備え、
前記コアにおける反フランジ側の端面を前記ケースに押し付ける弾性力を発生する弾性部材（２５）が、前記フランジ円筒部の底部と前記底部対向面との間に圧縮された状態で配置され、
前記フランジ円筒部の内周面と前記パイプ大径円筒部の外周面とに接して前記気体通路と外部とを遮断する環状のシール部材（２４）が、前記パイプ大径円筒部に装着されており、
前記弾性部材は前記環状のシール部材よりも前記ケースの外部側に位置していることを特徴とする熱交換器。
前記弾性部材は、前記パイプ部が挿入されるパイプ挿入孔（２５２）を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記フランジは、前記コアにおけるフランジ側の端面に向かって突出して前記フランジと前記コアとの間の隙間を減少させるリブ（２３２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
前記弾性部材は、弾性部材板部（２５０）と、前記弾性部材板部（２５０）から前記コアの挿入方向に沿って延びる弾性部材凸部（２５１、２５３、２５４）とを有しており、前記弾性部材凸部は前記フランジ円筒部の底部と前記底部対向面との間にて圧縮状態で挟持されて弾性力を発生することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。