JP6096636B2 - コルゲートフィン型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用ラジエータ等において、稼働中のコアの熱膨張を吸収する熱交換器に関する。

エンジン冷却水を冷却するコルゲートフィン型熱交換器は、図７に示すごとく、偏平チューブ１とコルゲートフィン２とを交互に並列し、各偏平チューブ１の両端をチューブプレート３に貫通してコア４を形成し、各チューブプレート３にタンク本体９を配置するとともに、コア４の両側にサイドメンバー５を配置したものである。
そして、エンジンを冷却して高温となった冷却水を、一方のタンク本体９から各偏平チューブ１内に流通し、他方のタンク本体に導き、偏平チューブ１の外面側及びコルゲートフィン２側に送風を行なうものである。

偏平チューブ１内に高温の冷却水が流通すると、その偏平チューブ１およびコルゲートフィン２は、偏平チューブ１の長手方向に伸張するとともに、それに直交方向にも膨張する。しかしながら、サイドメンバー５はコア４の両側にあって且つ、高温の冷却水が流通
しないため、その状態を維持しようとする。すると、サイドメンバー５と偏平チューブ１との間に熱膨張の差が生じ、偏平チューブ１とチューブプレート３との付根に応力が加わることになる。
そこで、従来、特許文献１および特許文献２に記載のごとく、偏平チューブ１とサイドメンバー５との熱膨張差を吸収するため、サイドメンバー５の適宜位置に波形に形成した応力吸収部６を配置する提案がされている。

特開平９−７９７８８号公報 特開２００７−３２８９６号公報

本発明者の実験によれば、サイドメンバー５とチューブプレート３との付根部の近傍に波形の応力吸収部６を配置した場合、その応力吸収部６が偏平チューブ１の長手方向の熱膨張を吸収することが確かめられた。しかしながら、偏平チューブ１の長手方向に直行する方向の熱膨張には耐えられないことが分かった。コア全体が偏平チューブ１の幅方向に膨張すると、コア４の最側に位置する偏平チューブ１の付根1aに亀裂が生じることがあった。それは、応力吸収部６の存在により、却って、偏平チューブ１の幅方向には、サイドメンバー５が容易に変形するために生じる。
そこで、本発明は偏平チューブ１の長手方向の熱膨張を吸収するとともに、それに直行する方向の熱膨張にも十分耐えられるコルゲートフィン型熱交換器を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、偏平チューブ（１）とコルゲートフィン（２）とが交互に並列され、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（３）に貫通してコア（４）を形成し、コルゲートフィン（２）の並列方向の両端位置にサイドメンバー（５）が配置されたコルゲートフィン型熱交換器において、
そのサイドメンバー（５）は溝形に形成され、一対の各チューブプレート（３）からサイドメンバー（５）の長手方向にそれぞれ十分離間した同一距離Ｌの位置で、その底部（５ａ）が溝底の幅にＨ字状に欠切された底無し部（７）を有すると共に、その各底無し部（７）の位置で且つ、そのＨ字を構成する一対の縦棒に隣接して、その両側壁部（５ｂ）が波形に曲折されて、そのサイドメンバー（５）が長手方向に変形容易な応力吸収部（６）を形成し且つ、サイドメンバー（５）のチューブプレート（３）との各付根部に、コア（４）のコルゲートフィン（２）の並列方向の外側へ加わる熱応力を支持する長手方向に平行な一対の補強手段（８）を設け、
前記底部（５ａ）の中心線に対して、前記Ｈ字状の底無し部（７）、応力吸収部（６）、および一対の補強手段（８）が左右対称に形成され且つ、応力吸収部（６）および一対の補強手段（８）がチューブプレート（３）に対して上下対称に配置されたことを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記応力吸収部（６）が、前記各チューブプレート（３）から、それぞれ６５ｍｍ以上離れた位置にあるコルゲートフィン型熱交換器である。

本発明は、サイドメンバー５の底無し部７の位置で、その両側壁部５ｂが波形に曲折されて、そのサイドメンバー５が長手方向に変形容易な熱応力吸収部６を形成したので、その熱応力吸収部６により、稼動中の偏平チューブ１の長手方向の熱膨張を効果的に吸収することができる。そして、サイドメンバー５とチューブプレート３との各付根部に補強手段８を設けたので、偏平チューブの並列方向に熱膨張が生じても、サイドメンバーの付根の変形を防止して、偏平チューブ１の形状を保持して、変形に伴う、その亀裂を効果的に防止できる。
さらに、前記底部５ａの中心線に対して、前記Ｈ字状の底無し部７、応力吸収部６、および一対の補強手段８を左右対称に形成し且つ、応力吸収部６および一対の補強手段８をチューブプレートに対して上下対称に配置したので、偏平チューブ１に生じる熱膨張がサイドメンバー５にバランスよく吸収されるとともに、サイドメンバー５の付根の非対称な変形が防止されるので、当該熱膨張が効果的に吸収されるとともに、偏平チューブ１の形状が保持され、その変形に伴う亀裂が効果的に防止される。

請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、前記応力吸収部６が、前記各チューブプレート３から、それぞれ６５ｍｍ以上離れた位置にある場合には、偏平チューブの並列方向への熱膨張により、偏平チューブ１の付根に生じる応力を極めて小さくすることができる。

本発明のコルゲートフィン型熱交換器の要部斜視図。 図１のII部拡大図。 図１のIII部拡大図。 本発明の補強手段８の他の実施例を示す要部拡大図。 本発明の第１実施例の要部側面図。 図５における長さＬを横軸としたとき、コア４の最側端に位置する偏平チューブ１付根1aに加わる応力を縦軸にした、実験値を示し、Ｌ＝０のときの基準値を１００％とする。 従来のコルゲートフィン型熱交換器のサイドメンバーに熱応力が加わったときの状態を示す図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき、説明する。
本発明のコルゲートフィン型熱交換器は、図１に示すごとく、偏平チューブ１とコルゲートフィン２とを交互に並列し、各偏平チューブ１の両端をチューブプレート３に貫通してコア４を形成する。そして、コルゲートフィン２の並列方向両端位置にサイドメンバー５を配置（右側省略）したものである。

そのサイドメンバー５は溝形に形成され、底部5aとその両側に配置された側壁部5bとからなる。このサイドメンバー５には、チューブプレート３から十分離間した位置に底部5aがＨ型に欠切された底無し部７を有する。それとともに、その底無し部７の位置で側壁部5bが波形に湾曲されて、応力吸収部６を形成する。この応力吸収部６は、熱交換器の稼動に伴い、コア４が偏平チューブ１の長手方向に膨張したとき、それに応じてサイドメンバー５を容易に変形させるものである。そして、この底無し部７および応力吸収部６は、上下一対のチューブプレート３から略等距離にそれぞれ一対形成されている。同様に図示しない右側のサイドメンバー５においても、それらが形成されている。

さらに、サイドメンバー５とチューブプレート３との付根部において、サイドメンバー５には補強手段８として一対の補強リブ8aが並列されている。この補強手段８は、コア４がコルゲートフィン２の並列方向外側に加わる熱応力を支持するものであり、その補強手段８によって、サイドメンバー５の付根部が、外側に変形するのを防止する。それにより、コア４の最側端に位置する偏平チューブ１の付根1aに亀裂が生じるのを防止するものである。逆にいえば、サイドメンバー５の付根部が変形すると、偏平チューブ１の付根1aも容易に変形し、その変形に伴い、変形部に亀裂が生じる。

この補強手段８は、補強リブ8aに限ることなく、例えば、図４に示すごとく、サイドメンバー５の底部5aを幅広に形成した幅広部8bをサイドメンバー５の根元部に設け、それをチューブプレート３に接合してもよい。それにより、サイドメンバー５の断面係数を大きくするものである。なお、サイドメンバー５の根元部は、溝形の底部5aのみを延長し、それをチューブプレート３のスリットに嵌着して、その嵌着部をろう付け固定することが好ましい。

次に、応力吸収部６の成形方法についてその一例を述べる。先ず、サイドメンバー５の底部5aの全幅に渡り、Ｈ状のスリットをプレス成形により欠切して、底無し部７を形成する。そのとき、Ｈの上フランジおよび下フランジが側壁部5bに沿って配置されるようにする。それにより、その底無し部７の位置では、サイドメンバー５はその幅方向への外力に対して容易に変形する。そこで、次に、そのサイドメンバー５の位置で、プレス成形により両側壁部5bを幅方向にプレス成形して、その波形を互いに対向させる。このようにしてなるサイドメンバー５の両端をチューブプレート３に接合するとともに、各偏平チューブ１をチューブプレート３の両端に挿通し、各部品間を一体にろう付け固定して、本コルゲートフィン型熱交換器を完成する。

（作用）
一例として、エンジンを冷却した高温の冷却水を一方のタンク本体９の出入口パイプ10から各偏平チューブ１に供給し、他方のタンク本体９からそれを流出させる。それとともに、コア４に冷却風を供給する。そして、偏平チューブ１内の冷却水と冷却風との間に熱交換を行なう。

このとき、コア４は、その偏平チューブ１の長手方向およびそれに直行する方向に熱膨張する。偏平チューブ１の長手方向の熱膨張は、サイドメンバー５の応力吸収部６により吸収される。次に、コア４の幅方向への熱膨張に基づいて加わるサイドメンバー５の荷重に対しては、応力吸収部６はその断面係数が大となり、変形することがない。また、サイドメンバー５とチューブプレート３との付根には、補強手段８が設けられているため、特にサイドメンバー５の付根の変形を防止する。それにより、コア４の最側端に位置する偏平チューブ１の付根1aの変形および、それに伴う偏平チューブの付根の亀裂を防止できる。なお、補強リブ8aは、サイドメンバー５の底部5aにプレス成形により形成することができる。

次に、応力吸収部６および底無し部７は、チューブプレート３から十分離れた位置に形成される。図５においてその長さＬは、６５ｍｍ以上とすることが好ましい。これは次の実験により、確認されたものである。
応力吸収部６および底無し部７をチューブプレート３とサイドメンバー５との根元部に配置したときに、コア４の最側端に位置する偏平チューブ１の付根1aに加わる応力を基準として、その値を１００％とする。ついで、応力吸収部６および底無し部７の位置Ｌとし、各Ｌの長さごとに応力を測定する。その結果、図６に示すごとく、Ｌ＝６５ｍｍの位置でチューブの付根応力が急激に減少することがわかった。

（変形例）
なお、上記実施例では、一対のチューブプレート３およびタンク本体９をコア４の上下方向に配置したが、それらを左右方向に配置し、サイドメンバー５を上下に配置してもよい。

１ 偏平チューブ
1a 付根
２ コルゲートフィン
３ チューブプレート
４ コア
５ サイドメンバー
5a 底部
5b 側壁部

６ 応力吸収部
７ 底無し部
８ 補強手段
8a 補強リブ
8b 幅広部
９ タンク本体
10 出入口パイプ

Claims (2)

1. 偏平チューブ（１）とコルゲートフィン（２）とが交互に並列され、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（３）に貫通してコア（４）を形成し、コルゲートフィン（２）の並列方向の両端位置にサイドメンバー（５）が配置されたコルゲートフィン型熱交換器において、
   そのサイドメンバー（５）は溝形に形成され、一対の各チューブプレート（３）からサイドメンバー（５）の長手方向にそれぞれ十分離間した同一距離Ｌの位置で、その底部（５ａ）が溝底の幅にＨ字状に欠切された底無し部（７）を有すると共に、その各底無し部（７）の位置で且つ、そのＨ字を構成する一対の縦棒に隣接して、その両側壁部（５ｂ）が波形に曲折されて、そのサイドメンバー（５）が長手方向に変形容易な応力吸収部（６）を形成し且つ、サイドメンバー（５）のチューブプレート（３）との各付根部に、コア（４）のコルゲートフィン（２）の並列方向の外側へ加わる熱応力を支持する長手方向に平行な一対の補強手段（８）を設け、
   前記底部（５ａ）の中心線に対して、前記Ｈ字状の底無し部（７）、応力吸収部（６）、および一対の補強手段（８）が左右対称に形成され且つ、応力吸収部（６）および一対の補強手段（８）がチューブプレート（３）に対して上下対称に配置されたことを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
2. 請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、前記応力吸収部（６）が、前記各チューブプレート（３）から、それぞれ６５ｍｍ以上離れた位置にあるコルゲートフィン型熱交換器。

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