JP6083272B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

従来、チューブおよびフィンを有するコア部と、コア部の両端部に組み付け配置される一対のヘッダタンクと、コア部を補強するインサートとを備える熱交換器が知られている。インサートは、フィンをコア部の端部側から押さえるための平面部を有しており、これにより、フィンのろう付け性を向上させることができる。

このような熱交換器において、インサートにリブを設けたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このリブにより、インサートの強度を向上させるとともに、インサートに発生する熱応力を吸収することができる。

登録実用新案第３０５９９７１号公報

ところで、上記特許文献１に記載のようなインサートを製造する際に、材料の長手方向に沿った加工方法でリブを成形する場合、例えばロール成形→トリム加工→リブ加工の順に行う方法が考えられる。しかしながら、この方法では、リブの両側の材料がリブ側へ引き込まれてしまい、インサートの平面部が得られないという問題がある。インサートのうち平面部が存在しない部位では、フィンが押さえらないので、ろう付け不良が発生するおそれがある。

本発明は上記点に鑑みて、フィンのろう付け不良を抑制しつつ、インサートの強度を向上させることができる熱交換器を提供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、内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１）、および、チューブ（１）に接合されてチューブ（１）周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（２）を有するコア部（３）と、コア部（３）におけるチューブ（１）の積層方向両側に配置されたインサート（５）とを備える熱交換器において、インサート（５）は、平面部（５ａ、５１、５２）を有しており、平面部（５ａ、５１、５２）は、フィン（２）と接触するインサートベース部（５ａ）と、インサートベース部（５ａ）からコア部（３）と反対方向に折り曲げられてチューブ（１）の積層方向に延びる第１壁部（５１）と、第１壁部（５１）からチューブ（１）の長手方向外側に向かって折り曲げられてチューブ（１）の長手方向に延びる第２壁部（５２）とを有して構成されており、少なくともインサートベース部（５ａ）および第１壁部（５１）には、フィン（２）側からフィン（２）と反対側に向かって突出するリブ（５３）が設けられており、リブ（５３）には、フィン（２）と反対側からフィン（２）側に向かって凹ませた凹部（５４）が設けられていることを特徴としている。

これによれば、インサート（５）の平面部（５ａ、５１、５２）に、当該平面部（５ａ、５１、５２）の一面側から他面側へ向かって突出するリブ（５３）を設けることで、インサート（５）の強度を向上させることができる。

さらに、リブ（５３）に、平面部（５ａ、５１、５２）の他面側から一面側に向かって凹ませた、すなわちリブ（５３）と反対方向に凹ませた凹部（５４）を設けることで、リブ（５３）を形成する際に、リブ（５３）の周囲のインサート材料がリブ（５３）側に引き込まれることでリブ（５３）の周囲に平面部（５ａ、５１、５２）が存在しなくなることを抑制できる。このため、リブ（５３）の周囲においてもフィン（２）を押さえることができるので、ろう付け不良を抑制できる。

なお、請求項２における「チューブ（１）の長手方向中央部に配置されている」とは、凹部（５４）がチューブ（１）の長手方向における完全な中心部に配置されていることのみを意味するものではなく、製造誤差等によって微小に中心部から離れて配置されていることをも含む意味である。

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。

第１実施形態に係るラジエータを示す模式的な正面図である。 第１実施形態に係るラジエータの要部拡大断面図である。 第１実施形態におけるインサートを示す拡大平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 第２実施形態におけるインサートおよびコアプレートを示す拡大正面図である。 他の実施形態におけるインサートを示す拡大断面図である。

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実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、水冷式内燃機関（以下、エンジンともいう）を冷却するラジエータに適用したものである。

図１に示すように、ラジエータは、第１流体としての冷却水が流れる管であるチューブ１を備えている。チューブ１は、第２流体としての空気の流れ方向（以下、空気流れ方向Ｘ１という）が長径方向と一致するように、長手方向垂直断面の形状が扁平な長円形状（扁平形状）に形成されている。チューブ１は、その長手方向が鉛直方向に一致するように水平方向に複数本平行に配置されている。

また、チューブ１は、チューブ１における冷却水が流通する流体通路を挟んで対向する二つの扁平面１０ａ、１０ｂを有している。チューブ１の両側の扁平面１０ａ、１０ｂには、波状に成形された伝熱部材としてのフィン２が接合されている。このフィン２により空気との伝熱面積を増大させて冷却水と空気との熱交換を促進している。なお、以下、チューブ１およびフィン２からなる略矩形状の熱交換部をコア部３と呼ぶ。

ヘッダタンク４は、チューブ１の長手方向（以下、チューブ長手方向Ｘ２という）の端部（本実施形態では、上下端）にてチューブ長手方向Ｘ２と直交する方向（本実施形態では、水平方向）に延びて複数のチューブ１と連通するものである。ヘッダタンク４は、チューブ１が挿入接合されたコアプレート４ａと、コアプレート４ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体部４ｂとを有して構成されている。

二つのヘッダタンク４のうち、上方側に配置されるとともに、チューブ１に冷却水を分流する入口側タンク４０１のタンク本体部４ｂには、エンジンを冷却した冷却水をタンク本体部４ｂ内に流入させる入口パイプ４ｃが設けられている。また、二つのヘッダタンク４のうち、下方側に配置されるとともに、チューブ１から流出する冷却水を集合する出口側タンク４０２のタンク本体部４ｂには、空気との熱交換により冷却された冷却水をエンジンに向けて流出させる出口パイプ４ｄが設けられている。

図２に示すように、フィン２は、板状の板部２１、および隣り合う板部２１を所定距離離して位置づける頂部２２を有するように波状に形成されたコルゲートフィンである。板部２１は、空気流れ方向Ｘ１（図２の紙面垂直方向）に沿って広がる面を提供している。板部２１は、平板によって提供されることができ、以下の説明では、フィン平面部２１とも称される。

頂部２２は、狭い幅の平面を外側に面するように提供する平板状の頂板部を有する。頂板部とフィン平面部２１との間には、ほぼ直角の曲げ部が設けられている。頂板部は、チューブ１に接合され、フィン２とチューブ１とが熱伝達可能に接合される。頂部２２は、その頂板部の幅が充分に狭く形成され、曲げ部が大きな半径をもって形成されると、全体として湾曲した湾曲部として見ることができる。よって、以下の説明では、頂部２２は湾曲部２２とも称される。

この波状のフィン２は、本実施形態では、薄板金属材料にローラ成形法を施すことにより成形されている。フィン２の湾曲部２２はチューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂにろう付けにより接合されている。

コアプレート４ａは、チューブ１が接合されるチューブ接合面４１を有している。また、チューブ接合面４１の周囲には、タンク本体４ｂの端部が挿入される断面略矩形状の溝部４２０が形成された受部４２が設けられている。溝部４２０は、チューブ長手方向Ｘ２の外側に開口するように、チューブ接合面４１の全周にわたって形成されている。

また、受部４２は、３つの面で形成されている。すなわち、チューブ接合面４１の外周部からコア部３のチューブ長手方向Ｘ２内側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ長手方向Ｘ２に延びる内側壁部４３と、内側壁部４３からコア部３と反対方向に略直角に折り曲げられてチューブ積層方向Ｘ３に延びる底部４４と、底部４４からチューブ長手方向Ｘ２外側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ長手方向Ｘ２に延びる外側壁部４５とによって、受部４２が形成されている。

本第１実施形態では、コアプレート４ａを金属（例えば、アルミニウム合金）製とし、タンク本体４ｂを樹脂製とするとともに、コアプレート４ａの溝部４２０にゴム等の弾性材からなるパッキン（図示せず）を配置し、このパッキンにてタンク本体４ｂとコアプレート４ａとの隙間を液密に密閉している。なお、図２では、タンク本体部４ｂの図示を省略している。

コア部３の両端部には、チューブ１の長手方向と略平行に延びてコア部３を補強するインサート５が設けられている。このインサート５は、チューブ１の扁平面１０ａ、１０ｂと略平行な面を有してチューブ長手方向Ｘ２と略平行に延びるインサートベース部５ａと、インサートベース部５ａに対して略直交する方向（本実施形態では、鉛直方向）に突出してチューブ長手方向Ｘ２と略平行に延びるインサートリブ５ｂとを有している。

インサートベース部５ａは、フィン２と接触するように構成されている。したがって、インサートベース部５ａが、本発明の平面部に相当している。

インサート５において、インサートリブ５ｂは、インサートベース部５ａのうちインサートベース部５ａの長手方向と直交する方向両端側にそれぞれに設けられているため、インサート５の断面形状は、コア部３と反対側が開いた略コの字状断面となっている。

図２〜図４に示すように、インサートベース部５ａにおけるチューブ長手方向Ｘ２の両端部は、略Ｌ字状に折り曲げられている。つまり、インサート５は、インサートベース部５ａのチューブ長手方向Ｘ２の端部からコア部３と反対方向に略直角に折り曲げられてチューブ積層方向Ｘ３に延びる第１壁部５１と、第１壁部５１からチューブ長手方向Ｘ２外側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ長手方向Ｘ２に延びる第２壁部５２とを有している。

ここで、第１壁部５１および第２壁部５２は、インサートベース部５ａを折り曲げることにより形成されているので、インサートベース部５ａと一体として構成されているといえる。したがって、第１壁部５１および第２壁部５２も、本発明の平面部を構成している。

第１壁部５１は、コアプレート４ａの底部４４と対向するように配置されている。第２壁部５２は、コアプレート４ａの外側壁部４５の外表面に接触した状態でろう付け接合されている。これにより、インサート５がコアプレート４ａに固定されている。また、外側壁部４５には、第２壁部５２と係合する係合爪部４５０が形成されている。

ここで、インサート５における空気流れ方向Ｘ１の長さを巾という。第１壁部５１および第２壁部５２の巾は、ほぼ等しくなっている。また、第１壁部５１および第２壁部５２の巾は、それぞれ、インサートベース部５ａの巾よりも短くなっている。

ここで、インサート５におけるコア部２と対向する面を表面といい、表面と反対側の面を裏面という。インサート５におけるチューブ長手方向Ｘ２の両端部には、インサート５の表面（一面）側から裏面（他面）側へ向かって突出するリブ５３が設けられている。リブ５３は、インサート５におけるヘッダタンク４のコアプレート４ａとの接合部近傍に配置されている。なお、本実施形態における「リブ５３は、インサート５におけるヘッダタンク４のコアプレート４ａとの接合部近傍に配置されている」とは、リブ５３がインサート５におけるチューブ１の長手方向中央部よりも、ヘッダタンク４との接合部に近い側に配置されていることを意味している。

具体的には、リブ５３は、インサートベース部５ａにおけるチューブ長手方向Ｘ２の端部から第１壁部５１にわたって形成されている。リブ５３は、チューブ長手方向Ｘ２と略平行に延びており、インサートベース部５ａにおけるチューブ長手方向Ｘ２の端部および第１壁部５１の、空気流れ方向Ｘ１略中央部に配置されている。

リブ５３には、インサート５の裏面側から表面側に向かって凹ませた凹部５４が設けられている。凹部５４は、リブ５３におけるチューブ長手方向Ｘ２略中央部に配置されている。本実施形態では、凹部５４は、図４に示すように、空気流れ方向Ｘ１に直交する断面は、二つの直線状部位により構成される略Ｖ字状になっている。なお、実際には、Ｖ字状の頂点（二つの直線状部位の交点）は若干、Ｒ形状（円弧状）とされている。

続いて、本実施形態のラジエータの製造方法について述べる。

まず、インサート５を成形する。インサート５は、例えば、インサート材料であるアルミニウム合金製の板状部材を、その長手方向に沿ってロール成形→トリム加工→リブ加工の順に加工を施すことによって、上述の形状に成形することができる。

次に、所定間隔毎に整列配置された複数本のチューブ１間、およびチューブ１とインサート５との間にフィン２を装填してコア部３を仮組みした後、ヘッダタンク４のコアプレート４ａに形成された貫通孔（図示せず）内に各チューブ１を挿入する。さらに、インサート５の長手方向両端部（第２壁部５２）と、コアプレート４ａに形成された係合爪部４５０とを係合させる。これにより、コアプレート４ａ、各チューブ１、フィン２、およびインサート５の仮固定（仮組み付け）が完了する。

次に、この仮組み付け体を加熱炉内に搬入し、コア部３（すなわちチューブ１およびフィン２）、インサート５およびコアプレート４ａをろう付けにて一体接合する。より詳細には、上記仮組み付け体を加熱炉内で加熱することで、コアプレート４ａにクラッドされたろう材により、チューブ１およびインサート５がコアプレート４ａにろう付け接合されるとともに、チューブ１の表面にクラッドされたろう材により、フィン２がチューブ１の外表面にろう付け接合される。

次に、タンク本体４ｂをコアプレート４ａに組み付ける。このようにして、図１に示すラジエータが完成する。

以上説明したように、インサート５に、インサート５の表面側から裏面側へ向かって突出するリブ５３を設けることで、インサート５の強度を向上させることができる。

さらに、リブ５３に、インサート５の裏面側から表面側に向かって凹ませた、すなわちリブ５３と反対方向に凹ませた凹部５４を設けることで、リブ５３を形成する際に、リブ５３の周囲のインサート材料がリブ５３側に引き込まれることでリブ５３の周囲に平面部が存在しなくなることを抑制できる。このため、リブ５３の周囲においてもフィン２を押さえることができるので、フィン２のろう付け不良を抑制できる。

ところで、本実施形態では、上述したように、インサート製造時における材料送り方向を、インサート５の長手方向と等しくしている。これによれば、インサート材料の巾方向（材料送り方向に直交する方向）の長さを、インサートベース部５ａの空気流れ方向Ｘ１の長さと、インサートリブ５ｂのチューブ積層方向Ｘ３の長さの２倍とを合わせた長さに予め設定することで、トリム加工時に切り落とされるインサート材料の端材の量を少なくできる。したがって、インサート５の歩留まりを向上させることができる。

しかしながら、このようにインサート５の巾を短くすると、リブ加工時に、リブ５３の両側の板状部材６０がリブ５３側へ引き込まれることでインサート５の平面部が存在しなくなる可能性が高くなる。

したがって、インサート５の巾が短い場合に、本実施形態のように、リブ５３にインサート５の裏面側から表面側に向かって凹ませた凹部５４を設けることは、特に効果的である。

また、本実施形態のように、凹部５４を、リブ５３におけるチューブ長手方向Ｘ２略中央部に配置することで、リブ５３を形成する際に、リブ５３の周囲のインサート材料（板状部材６０）がリブ５３側に引き込まれることでリブ５３の周囲に平面部が存在しなくなることを、より確実に抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。図５に示すように、本第２実施形態のインサート５におけるチューブ長手方向Ｘ２の両端部には、リブ５３が２つ設けられている。２つのリブ５３には、それぞれ、凹部５４が形成されている。２つのリブ５３は、空気流れ方向Ｘ１に並列に配置されている。

本実施形態によれば、リブ５３を２つ設けることで、特にインサートの巾方向の長さが長い場合に、リブ５３を形成する際にリブ５３の周囲のインサート材料がリブ５３側に引き込まれることでリブ５３の周囲に平面部が存在しなくなることを確実に抑制できる。このため、リブ５３の周囲においてもフィン２を押さえることができるので、フィン２のろう付け不良を確実に抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、凹部５４を、空気流れ方向Ｘ１に直交する断面が略Ｖ字状となるように形成した例について説明したが、凹部５４の形状はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、凹部５４を、空気流れ方向Ｘ１に直交する断面が円弧状（Ｒ形状）となるように形成してもよい。

（２）上記実施形態では、ラジエータに本発明の熱交換器を適用した例について説明したが、蒸発器や冷媒放熱器（冷媒凝縮器）等の他の熱交換器においても本発明の適用が可能である。

１ チューブ
２ フィン
３ コア部
５ インサート
５ａ インサートベース部（平面部）
５１ 第１壁部（平面部）
５２ 第２壁部（平面部）
５３ リブ
５４ 凹部

Claims (4)

1. 内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１）、および、前記チューブ（１）に接合されて前記チューブ（１）周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（２）を有するコア部（３）と、
   前記コア部（３）における前記チューブ（１）の積層方向両側に配置されたインサート（５）とを備える熱交換器であって、
   前記インサート（５）は、平面部（５ａ、５１、５２）を有しており、
   前記平面部（５ａ、５１、５２）は、
   前記フィン（２）と接触するインサートベース部（５ａ）と、
   前記インサートベース部（５ａ）から前記コア部（３）と反対方向に折り曲げられて前記チューブ（１）の積層方向に延びる第１壁部（５１）と、
   前記第１壁部（５１）から前記チューブ（１）の長手方向外側に向かって折り曲げられて前記チューブ（１）の長手方向に延びる第２壁部（５２）とを有して構成されており、
   少なくとも前記インサートベース部（５ａ）および前記第１壁部（５１）には、前記フィン（２）側から前記フィン（２）と反対側に向かって突出するリブ（５３）が設けられており、
   前記リブ（５３）には、前記フィン（２）と反対側から前記フィン（２）側に向かって凹ませた凹部（５４）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記凹部（５４）は、前記リブ（５３）における前記チューブ（１）の長手方向中央部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. さらに、前記複数本のチューブ（１）の積層方向に延びて前記チューブ（１）を流れる前記第１流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）を備え、
   前記インサート（５）は、前記タンク部（４）に接合されており、
   前記リブ（５３）は、前記インサート（５）における前記タンク部（４）との接合部近傍に配置されてい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。
4. 前記インサートベース部（５ａ）のうち、前記リブ（５３）の周囲の部位は前記フィン（２）と接触してい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。

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