JP6197715B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、内燃機関（エンジン）に供給される燃焼用の空気（吸気）を冷却するインタークーラに適用して有効である。

従来、内部を吸気が流通するとともに、外部を冷却媒体が流通する複数のチューブを積層して構成されたコア部と、複数のチューブの両端部に接続されるとともに、複数のチューブを流れる吸気の集合あるいは分配を行うタンク部とを備えるインタークーラが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

欧州特許出願公開第１７０７９１１号明細書

上記特許文献１に記載のインタークーラでは、チューブ内を吸気が流通する構成のため、吸気の圧力損失が増大してしまう。このため、チューブの流路断面積を拡大する必要があり、インタークーラの体格が大型化するという問題があった。

これに対し、本発明者らは、先に、特願２０１３−９２２３４号（以下、先願例という）にて、冷却流体が流通する複数のチューブを積層して構成されたコア部と、複数のチューブを流れる冷却流体の集合あるいは分配を行うタンク部と、コア部を覆うように配置されて吸気が流通する吸気流路を形成するダクトプレートとを備え、ダクトプレートがタンク部に接合された熱交換器を提案している。

この先願例の熱交換器のように、ダクトプレートがタンク部に接合されていると、吸気流路を高温の吸気が流れる際に、チューブとダクトプレートとの間に大きな温度差が生じる。これにより、タンク部とチューブとの根付部（接合部）に熱歪みが発生する可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、タンク部とチューブとの根付部に発生する熱歪みを低減す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、気体である第１流体と第１流体より低温の液体である第２流体との間で熱交換を行うことで、第１流体を冷却する熱交換器において、内部を第２流体が流通するとともに、外部を第１流体が流通する複数のチューブ（１）を積層して構成されたコア部（３）と、複数のチューブ（１）の少なくとも一方の端部に接続されるとともに、複数のチューブ（１）を流れる第２流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）と、コア部（３）を覆うように配置されるとともに、第１流体が流通する第１流体流路を形成する流路形成部材（５）とを備え、流路形成部材（５）は、タンク部（４）にろう付け接合されており、タンク部（４）は、複数のチューブ（１）が接合されるチューブ接合面（４００）を有しており、複数のチューブ（１）のうち、チューブ（１）の積層方向の最外側に配置されるチューブ（１）を最外側チューブ（１０）としたとき、チューブ接合面（４００）における、最外側チューブ（１０）と当該最外側チューブ（１０）に隣り合うチューブ（１）との間には、第１流体の流れ方向に延びるリブ（８）が設けられており、チューブ接合面（４００）における、最外側チューブ（１０）よりもチューブ（１）の積層方向の外側には、リブ（８）が設けられていないことを特徴とする。

これによれば、チューブ接合面（４００）における最外側チューブ（１０）と当該最外側チューブ（１０）に隣り合うチューブ（１）との間に、第１流体の流れ方向に延びるリブ（８）を設けることで、第１流体流路に高温の第１流体が流通した際に、タンク部（４）とチューブ（１）との根付部にかかる熱負荷を分散させることができる。また、チューブ接合面（４００）における最外側チューブ（１０）よりもチューブ（１）の積層方向の外側に、リブ（８）を設けないようにすることで、リブ（８）によりタンク部（４）の剛性が高くなりすぎて熱歪みの緩和効果が低減してしまうことを抑制できる。したがって、タンク部（４）とチューブ（１）との根付部に発生する熱歪みを低減することが可能となる。

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。

本発明の実施形態に係るインタークーラを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るインタークーラを示す分解斜視図である。 本発明の実施形態におけるコアプレート近傍を示す平面図である。 リブの突出長さと発生歪比との関係を示す特性図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 端面間距離と発生歪比との関係を示す特性図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の熱交換器を、内燃機関の吸気と冷却流体（例えば、水）とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラに適用したものである。なお、気体である吸気が本発明の第１流体に相当し、吸気より低温の液体である冷却流体が本発明の第２流体に相当している。

図１および図２に示すように、本実施形態のインタークーラは、内部に冷却流体を流通させる複数本のチューブ１、この複数本のチューブ１の両端側に配置されてそれぞれのチューブ１を流通する冷却流体の集合あるいは分配を行うタンク部４等を有する、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器として構成されている。

具体的には、インタークーラは、内部に冷却流体が流通するとともに、外部に吸気が流通するチューブ１を複数備えている。チューブ１は、吸気の流れ方向（以下、吸気流れ方向という）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。

複数のチューブ１は、吸気の流れに直交する方向に列をなすように配置されている。さらに、複数のチューブ１は、吸気の流れ方向に沿って二列をなすように配置されている。つまり、複数のチューブ１は、吸気流れ方向の上流側に位置する上流列と、上流列より下流側に位置する下流列とを形成するように配置されている。

また、チューブ１は、チューブ１における冷却流体が流通する流体通路を挟んで対向する二つの扁平面を有している。チューブ１の両側の扁平面には、波状に成形された伝熱部材としてのフィン（図示せず）が接合されている。このフィン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およびフィンからなる略矩形状の熱交換部をコア部３と呼ぶ。

本実施形態のチューブ１は、一枚の金属製（例えば、アルミニウム製）の板状部材を折り曲げてその端部同士を接合することにより形成されている。チューブ１の内面および外面には、犠牲材が設けられている。

タンク部４は、チューブ１の長手方向（以下、チューブ長手方向という）の両端部にてチューブ長手方向と直交する方向に延びて複数のチューブ１と連通するものである。タンク部４は、チューブ１が挿入接合されたチューブ接合面４００を有するコアプレート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とを備えて構成されている。

ここで、二つのタンク部４のうち、鉛直方向上方側に配置されるものを第１タンク部４１といい、鉛直方向下方側に配置されるものを第２タンク部４２という。

第１タンク部４１の内部（コアプレート４ａとタンク本体部４ｂとの間）には、タンク内空間を吸気流れ方向に二つに仕切るセパレータ４ｃが設けられている。ここで、セパレータ４ｃに仕切られた二つのタンク内空間のうち、吸気流れ下流側に位置する空間を第１空間といい、吸気流れ下流側に位置する空間を第２空間という。

第１空間は、複数のチューブ１のうち下流列に属するチューブ１と連通しており、当該下流列に属するチューブ１に冷却水を分流する。第２空間は、複数のチューブ１のうち上流列に属するチューブ１と連通しており、当該上流列側に属するチューブ１から流出する冷却流体を集合させる。

第１タンク部４１のタンク本体部４ｂには、冷却流体を第１空間に流入させる入口パイプ４ｄと、吸気との熱交換により加熱された冷却流体を外部へ流出させる出口パイプ４ｅとが設けられている。

第２タンク部４２は、下流列に属するチューブ１から流出した冷却流体を集合させるとともに、集合した冷却水を上流列に属するチューブ１に分流する。また、第２タンク部４２の内部、つまりコアプレート４ａとタンク本体部４ｂとの間には、チューブ１の積層方向（以下、チューブ積層方向という）に対して略直交する方向に延びて第２タンク部４２を補強する補強プレート４ｆが複数（本実施形態では二つ）設けられている。

二つのタンク部４（第１タンク部４１および第２タンク部４２）を上述のように構成することにより、インタークーラにおいて、冷却流体の流れがＵターンする。

コア部３のチューブ積層方向両端部には、チューブ１に対して略平行に延びてコア部３を補強するサイドプレート３０が設けられている。このサイドプレート３０のうちコア部３側の面はフィンにろう付けされ、長手方向両端部はタンク部４のコアプレート４ａにろう付けされている。

コア部３の外側には、コア部３を覆うように配置されるとともに、吸気が流通する吸気流路を形成する流路形成部材としてのダクトプレート５が設けられている。このダクトプレート５は、第１プレート５１と第２プレート５２を組み合わせて接合することにより構成されている。

第１プレート５１および第２プレート５２は、チューブ１、フィンおよびタンク部４等の他の構成部品と同様の材料（本例では、アルミニウム）により構成されている。なお、第１プレート５１および第２プレート５２の構成材料として、アルミニウム製の芯材の少なくとも一方の面にろう材がクラッドされたクラッド材を採用することで、ろう材の使用量を低減することができる。

ダクトプレート５、つまり第１プレート５１および第２プレート５２は、チューブ長手方向の両端部において、タンク部４のコアプレート４ａにろう付け接合されている。

本実施形態では、第１プレート５１および第２プレート５２は、ほぼ同等の形状に形成されている。具体的には、第１プレート５１および第２プレート５２は、それぞれ、吸気流れ方向に対して略直交する底面５ａと、当該底面５ａにおけるチューブ積層方向の両端部から底面５ａに対して略直交する方向に突出して吸気流れ方向と略平行に延びる一対の側面５ｂとを有する断面略コの字状に形成されている。側面５ｂは、サイドプレート３０にろう付け接合されている。

第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの底面５ａには、ダクトプレート５内の吸気流路に吸気を流出入させる開口部５ｃが形成されている。本実施形態では、開口部５ｃは、底面５ａのほぼ全面に亘って形成されている。また、開口部５ｃの外周縁部には、コア部３と反対側へ向かって延びる壁部５ｄが設けられている。

第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの開口部５ｃには、インタークーラの吸気流路と吸気ダクト（図示せず）とを接続するための接続プレート７が接合されている。つまり、第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの開口部５ｃには、接続プレート７を介して吸気ダクトが接続されている。

上記のように構成された第１プレート５１および第２プレート５２の側面５ｂ同士を接合することにより、断面矩形状のダクトプレート５が形成されている。

ここで、複数のチューブ１のうち、チューブ積層方向の最外側に配置されるチューブ１を最外側チューブ１０とする。

図３に示すように、コアプレート４ａのチューブ接合面４００における、最外側チューブ１０と当該最外側チューブ１０に隣り合うチューブ１との間には、吸気流れ方向に延びるリブ８が設けられている。リブ８は、チューブ接合面４００からチューブ長手方向内側（コア部３側、図３の紙面奧側）に向けて突出するように形成されている。本実施形態では、チューブ接合面４００における隣り合うチューブ１同士の間にも、リブ８がそれぞれ設けられている。

一方、チューブ接合面４００における、最外側チューブ１０よりもチューブ積層方向の外側の部位４１０には、リブ８が設けられていない。すなわち、本実施形態では、チューブ接合面４００のうち、隣り合うチューブ１（最外側チューブ１０も含む）同士の間にリブ８が設けられており、それ以外の部位にはリブ８が設けられていない。

リブ８は、最外側チューブ１０に対して吸気流れ方向に突出している。以下、リブ８のうち最外側チューブ１０に対して突出している部分を、突出部８０という。また、突出部８０における吸気流れ方向の長さを、突出長さＬａという。本実施形態では、複数のリブ８の突出長さＬａが互いに等しくなっている。

ここで、突出部８０の突出長さＬａと、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みとの関係を図４に示す。なお、図４の縦軸に示す発生歪比とは、突出部８０の突出長さＬａが０、すなわちチューブ積層方向から見たときに最外側チューブ１０の端部とリブ８の端部とが重合している場合に発生する熱歪みを１００％として表した熱歪みの値のことである。

図４に示すように、リブ８の突出長さＬａを１．２ｍｍ以上とすることで、突出部８０の突出長さＬａが０の場合と比較して、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを約１０％低減することができる。さらに、リブ８の突出長さＬａを１．８ｍｍ以上とすることで、突出部８０の突出長さＬａが０の場合と比較して、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを約１５％低減することができる。

以下、コアプレート４ａにおけるダクトプレート５が接合された面を、プレート接合面４３という。また、図５に示すように、チューブ１における吸気流れ方向の端面１００から、プレート接合面４３のうち吸気流れ方向の端面４３０までの、吸気流れ方向の最短距離を端面間距離Ｌｂという。

本実施形態では、端面間距離Ｌｂとは、チューブ１における吸気流れ方向の端面１００から、プレート接合面４３のうち吸気流れ方向に直交する端面４３０までの、吸気流れ方向の最短距離のことを表している。

ここで、端面間距離Ｌｂと、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みとの関係を図６に示す。なお、図６の縦軸に示す発生歪比とは、端面間距離Ｌｂが製造限界である２ｍｍの場合に発生する熱歪みを１００％として表した熱歪みの値のことである。

図５に示すように、端面間距離Ｌｂを４．９ｍｍ以上とすることで、端面間距離Ｌｂが２ｍｍの場合と比較して、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを約４０％低減することができる。さらに、端面間距離Ｌｂを６．６ｍｍ以上とすることで、端面間距離Ｌｂが２ｍｍの場合と比較して、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを約５０％低減することができる。

以上説明したように、本実施形態では、コアプレート４ａのチューブ接合面４００における最外側チューブ１０と当該最外側チューブ１０に隣り合うチューブ１との間に、吸気流れ方向に延びるリブ８を設けている。これにより、吸気流路に高温の吸気が流通した際に、コアプレート４ａとチューブ１との根付部にかかる熱負荷を分散させることができるので、熱歪みを緩和することができる。

ところで、チューブ接合面４００にリブ８を設けると、コアプレート４ａの剛性が高くなるため、コアプレート４ａのリブ８近傍におけるチューブ１の熱膨張・熱収縮に対する拘束力が高くなり、上述した熱歪みの緩和効果が低減する可能性がある。

これに対し、本実施形態では、チューブ接合面４００における最外側チューブ１０よりもチューブ積層方向の外側に、リブ８を設けないようにしている。これにより、リブ８を設けることによりコアプレート４ａの剛性が高くなりすぎることを抑制できるので、コアプレート４ａにおけるチューブ１の熱膨張・熱収縮に対する拘束力を低減できる。その結果、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱応力を低減できる。

このとき、上述の図４に示すように、リブ８の突出長さＬａを１．２ｍｍ以上とすることで、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを低減することができる。さらに、リブ８の突出長さＬａを１．８ｍｍ以上とすることで、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みをより低減することができる。

また、上述の図６に示すように、端面間距離Ｌｂを４．９ｍｍ以上とすることで、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みを低減することができる。さらに、端面間距離Ｌｂを６．６ｍｍ以上とすることで、コアプレート４ａとチューブ１との根付部に発生する熱歪みをより低減することができる。

（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、チューブ接合面４００における隣り合うチューブ１同士の間に、リブ８をそれぞれ設けた例について説明したが、これに限定されない。すなわち、最外側チューブ１０と当該最外側チューブ１０に隣り合うチューブ１との間にリブ８が設けられていれば、最外側チューブ１０以外の隣り合うチューブ１間にリブ８を設けなくてもよい。

（２）上記実施形態では、チューブ接合面４００に設けられている複数のリブ８の突出長さＬａを互いに等しくした例について説明したが、これに限らず、チューブ接合面４００に設けられている複数のリブ８の突出長さＬａを互いに異ならせてもよい。この場合、最外側チューブ１０と当該最外側チューブ１０に隣り合うチューブ１との間のリブ８の突出長さＬａが上記実施形態に記載した範囲に設定されていれば、最外側チューブ１０以外の隣り合うチューブ１間のリブ８の突出長さＬａを任意に設定してもよい。

（２）上記実施形態では、インタークーラにおいて、冷却流体の流れがＵターンするように構成した例について説明したが、これに限らず、冷却流体の流れがターンしないように構成してもよいし、冷却流体の流れがＷターンする（３回Ｕターンする）ように構成してもよい。

１ チューブ
３ コア部
４ タンク部
５ ダクトプレート（流路形成部材）
８ リブ
１０ 最外側チューブ
４００ チューブ接合面

Claims (6)

1. 気体である第１流体と前記第１流体より低温の液体である第２流体との間で熱交換を行うことで、前記第１流体を冷却する熱交換器であって、
   内部を前記第２流体が流通するとともに、外部を前記第１流体が流通する複数のチューブ（１）を積層して構成されたコア部（３）と、
   前記複数のチューブ（１）の少なくとも一方の端部に接続されるとともに、前記複数のチューブ（１）を流れる前記第２流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）と、
   前記コア部（３）を覆うように配置されるとともに、前記第１流体が流通する第１流体流路を形成する流路形成部材（５）とを備え、
   前記流路形成部材（５）は、前記タンク部（４）にろう付け接合されており、
   前記タンク部（４）は、前記複数のチューブ（１）が接合されるチューブ接合面（４００）を有しており、
   前記複数のチューブ（１）のうち、前記チューブ（１）の積層方向の最外側に配置されるチューブ（１）を最外側チューブ（１０）としたとき、
   前記チューブ接合面（４００）における、前記最外側チューブ（１０）と当該最外側チューブ（１０）に隣り合う前記チューブ（１）との間には、前記第１流体の流れ方向に延びるリブ（８）が設けられており、
   前記チューブ接合面（４００）における、前記最外側チューブ（１０）よりも前記チューブ（１）の積層方向の外側には、前記リブ（８）が設けられていないことを特徴とする熱交換器。
2. 前記リブ（８）は、前記最外側チューブ（１０）に対して前記第１流体の流れ方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記リブ（８）のうち前記最外側チューブ（１０）に対して突出している部分（８０）における前記第１流体の流れ方向の長さである突出長さ（Ｌａ）が、１．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記突出長さ（Ｌａ）が、１．８ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記タンク部（４）は、前記チューブ接合面（４００）を有するコアプレート（４ａ）と、前記コアプレート（４ａ）とともにタンク内空間を構成するタンク本体部（４ｂ）とを備えており、
   前記流路形成部材（５）は、前記コアプレート（４ａ）に接合されており、
   前記チューブ（１）における前記第１流体の流れ方向の端面（１００）から、前記コアプレート（４ａ）における前記流路形成部材（５）が接合された面（４３）のうち前記第１流体の流れ方向の端面（４３０）までの、前記第１流体の流れ方向の最短距離である端面間距離（Ｌｂ）が、４．９ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 前記端面間距離（Ｌｂ）が、６．６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。

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