JP6711822B2 - 熱交換器のタンク構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱交換器をその厚み方向に並列したものにおいて、全体として熱交換性能を向上させるものに関する。

下記特許文献１は、ユニット組立型の熱交換器であって、それぞれフィンとチューブとを交互に並列してコアを形成し、そのコアの上下に一対のタンクを配置するとともに、各タンクの中央に熱交換媒体の流入口を設けたものである。
図６は、特許文献１のユニット組立型熱交換器の分解斜視図であり、上下一対の小タンク４にチューブ２の両端を挿通固定し、小タンク４の長手方向中央に接続ブラケット１３を配置したものである。各接続ブラケット１３は、互いにＯリング１５およびボルト１７を介して締結され一体化される。そして、最前列の接続ブラケット１３に設けたパイプ１６から熱交換媒体として、オイルを供給し、それを各ユニットのそれぞれのチューブ２内に供給するものである。
次に、本発明者は既に、特願２０１４−００９６１６の建設機械用高耐圧オイルクーラを出願している。この発明は、一対のコアをその厚み方向に並列するとともに、各コアの偏平チューブをＵ字溝状のタンク本体に挿通するとともに、その開口部を蓋部材で閉塞し、かつ両端部を端蓋で閉塞したものである。そして、各タンクの長手方向中央に開口部を形成し、その開口部とヘッダの開口とを溶接により接合したものである。

特開２００３−７５０９２号公報

特許文献１に記載の発明は、各ユニットの小タンク４の中央位置に熱交換媒体の入口が存在し、そこから各チューブにオイルを供給していた。すると、小タンク４の開口に近い位置にあるチューブにより多くのオイルが流入し、そのチューブ内のオイルの流速が開口から遠いチューブよりも速くなる。そのため、各ユニットの偏平チューブ内のオイルの流速密度の偏りが生じている。
それら各偏平チューブの外周には、冷却用の空気流が流通する。この時、空気がオイル流速の速い部分に供給されると、最も熱交換されて、冷却風が高温になる。その高温になった冷却風が、風下側のユニットのオイル流速の速い位置に供給されることになる。そのため、コアの中央部分における熱交換量と、コアの両端部における熱交換量との間にバラつきが生じ、全体として熱交換効率が悪くなる。
そこで、本発明は、各ユニットの各部で総合的に熱交換が均一になるようにして、全体としての熱交換量を大きくすることを課題とする。それとともに、ヘッダタンクを介して、各ユニットの小タンク４に熱交換媒体を分配することとし、その接続を容易にすることを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、それぞれフィン１とチューブ２とが交互に並列されてコア３を形成し、
各チューブ２の両端が挿通されるように、コア３の両端に小タンク４が配置されてユニット５を構成し、
複数の同一形状のユニット５がその厚み方向に重なって並列され、
熱交換媒体が各小タンク４を介して、各コア３の各チューブ２に供給され、空気流が各コア３の平面に交差するように導かれる熱交換器のタンク構造において、
各ユニット５の各コア３と小タンク４がろう付固定されており、
各小タンク４およびそれらに連結するヘッダタンク８がパイプ材よりなり、
各小タンク４には、そのコア３の反対側の位置に開口７が形成され、
隣り合う第１の小タンク４の開口７と、第２の小タンク４の開口７とが各小タンク４の長手方向に位置を異にして配置されることで、空気流の上流側のユニット５の熱交換媒体の流速の大きい位置と、空気流の下流側のユニット５の熱交換媒体の流速の大きい位置とが位置ずれしていると共に、それらの各開口７に整合するように、前記ヘッダタンク８に複数の接続口９が形成され、
前記ヘッダタンク８が各小タンク４の軸線方向に交差した状態で、前記ヘッダタンク８の各接続口９と各小タンク４の開口７とが、短管６で連結され、
各ユニット５の小タンク４の開口７と短管６の一方の端部及び、ヘッダタンク８の各接続口９と短管の他方の端部が溶接固定されており、
前記ヘッダタンク８から並列された各ユニット５の熱交換媒体の流通方向の上流側の小タンク４の開口７に熱交換媒体が流通されることを特徴とする熱交換器のタンク構造である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器のタンク構造において、
各小タンク４の軸線に斜めに交差する一直線上に、各小タンク４の開口７が配置され、ヘッダタンク８の軸線に平行な一直線上の外面に、前記各開口７に整合する接続孔９が設けられた熱交換器のタンク構造である。

請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器のタンク構造において、
各小タンク４の各開口７が平面視で千鳥に配置された熱交換器のタンク構造である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器のタンク構造において、
前記ヘッダタンク８は、半割り状のタンク本体８ａと上蓋８ｂとで構成されており、前記タンク本体８ａに複数の前記接続口９が形成された熱交換器のタンク構造である。

請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の熱交換器のタンクの製造方法において、
前記ヘッダタンク８を形成する工程と、短管６を介して、前記タンク本体８ａの接続口９と各小タンク４の開口７とを溶接固定する工程と、
ついで、タンク本体８ａと上蓋８ｂとの間を溶接する工程と、を具備する熱交換器のタンクの製造方法である。

本発明のタンク構造は、隣り合う第１の小タンク４の開口７と、第２の小タンク４の開口７とが、その長手方向に位置を異にして配置されることで、空気流の上流側のユニット５の熱交換媒体の流速の大きい位置と、空気流の下流側のユニット５の熱交換媒体の流速の大きい位置とが位置ずれしている。それと共に、それらの各開口７に整合するように、ヘッダタンク８に複数の接続口９が形成され、前記ヘッダタンク８が各小タンク４の軸線方向に交差した状態で、ヘッダタンク８の各接続口９と各小タンク４の開口７とが、短管６で連結され、前記ヘッダタンク８から並列された各ユニット５の熱交換媒体の流通方向の上流側の小タンク４の開口７に熱交換媒体が流通されるものである。
そのため、各ユニット５の小タンク４の出入口が異なり、それに伴って各ユニット５の各チューブ２内に流通する熱交換媒体の流速分布を異にする。即ち、小タンク４の出入口近傍の各チューブ２の熱交換媒体の流速が速くなり、出入口から離れるチューブ程、流速が低下する。
ところが、上流側と下流側とで、各ユニット５の各チューブ２の流速分布が異なるので、第１のユニット５の熱交換媒体の流速の大きい位置を通過してより高温となった空気流は、それに隣接する第２のユニット５では熱交換媒体の流速の小さい位置を通過し、全体として各部の熱交換量を均一にして、性能の高い熱交換器となる。

また、本発明のタンク構造の製造方法は、上記熱交換器において、各コア３と小タンク４とをろう付し、各ユニット５の小タンク４の開口７とヘッダタンクの各接続口９とを、溶接により、短管６を介して接続するものである。そして、隣り合う第１の小タンク４の開口７と、第２の小タンク４の開口７とが、その長手方向に位置を異にして配置されているので、隣接する短管６どうしの間隔が離間し、その溶接の際、互いに干渉することなく容易に各短管の両端を溶接することができる。

請求項４、請求項５に記載の発明のように、ヘッダタンク８を、それぞれ半割り状のタンク本体８ａと上蓋８ｂとで構成した場合には、さらに容易に熱交換器のタンク構造を製造することができる。

図１は本発明のタンク構造の分解斜視図である。
図２は同組立て状態を示す縦断面図であって、図３のＩＩ−ＩＩ矢視図である。
図３は同組立て状態を示す斜視図である。
図４は本発明の第２実施例の熱交換器のタンク構造の分解斜視図である。
図５は本発明の第３実施例の熱交換器のタンク構造の斜視図である。
図６は従来型タンク構造の斜視図である。

（第１実施例の構造）
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。
図１〜図３は本発明の第１実施例であり、図１はその要部分解斜視図、図２はその組立て状態を示す要部縦断面図、図３は同斜視図である。これらの図において、それぞれタンク構造の上部のみを示す。省略されている下部のタンク構造は、上部と同様の構造をとることが好ましい。
この実施例では、同一形状の３つのユニット５をそのコア３の厚み方向に積層している。そのユニット５の数は二つでも、四つ以上でもよい。各ユニット５は、フィン１とチューブ２とを交互に並列してコア３を形成し、その上下両端に一対の小タンク４を配置する。そして、それぞれのチューブ２の両端を小タンク４に挿通する。この例では、小タンク４はパイプ材とその両端に配置した端蓋１０とからなる。
そして、パイプ材には、多数の偏平なチューブ挿通孔が穿設され、それに偏平なチューブ２が挿通される。それと共に、各小タンク４の長手方向両端には、サイドメンバー１４の端部を挿通する図示しないスリットが夫々形成されている。
そして、一対のサイドメンバー１４の端部が夫々の小タンク４に挿通された状態で、各部品間が一体にろう付け固定される。なお、この例では、一対のサイドメンバー１４を３つの小タンク４に挿通したが、それに替えて、それぞれ単独のサイドメンバー１４を各コア３の両端に配置してもよい。
このようにしてなる各コア３と、サイドメンバー１４との組立て体は、高温の炉内に搬入され、一体的にろう付け固定される。なお、小タンク４には予め開口７を形成しておく。この開口７は、図１および図３に示す如く、隣接する各ユニット５の小タンク４の開口７が軸線方向に位置を異にして配置される。この例では、各小タンク４に対して傾斜する一直線上に配置されている。
次いで、各開口７には短管６の一端が挿入され、短管６と小タンク４の開口７との間が溶接されて、溶接部１２を形成する。そして、各短管６の他端はヘッダタンク８の接続口９に溶接される。
この例では、ヘッダタンク８はその一端にフランジ１１を有し、多端に端蓋１０を有する。また、ヘッダタンク８は、パイプ材をその直径線上で半割り状にしたタンク本体８ａと上蓋８ｂとからなり、そのタンク本体８ａに接続口９が穿設される。接続口９の位置は、短管６の各開口７の位置に整合する。
そして、各短管６をタンク本体８ａの接続口９に溶接した後に、上蓋８ｂがタンク本体８ａの開口に被嵌され、その端部に端蓋１０が被嵌される。そして、それらの各継目に溶接により溶接部１２が形成されて熱交換器を完成する。
この例では、ヘッダタンク８は直線状のパイプ材と、湾曲したパイプ材との結合体からなり、その湾曲パイプの端部に直線状のパイプ材が溶接されたものである。
配管の方向によっては、湾曲したパイプ材を省略することも可能である。
（本発明の第２実施例の構造）
次に、図４は本発明の第２実施例であり、この例は、予めヘッダタンク８の各接続口９に短管６を溶接し、その後に、小タンク４の開口７と各短管６とを溶接したものである。なお、溶接順序はその逆でもよい。
（本発明の第３実施例の構造）
次に、図５は、本発明の第３実施例であり、この例は、各小タンク４の開口７が平面視で千鳥状に配置されている。そして、ヘッダタンク８に接続されたエルボー状の短管６を介して、ヘッダタンク８の各接続口９と各小タンク４の開口７とが溶接により連結されている。
いずれの実施例においても共通する点は、隣接する小タンク４の各開口７が、小タンク４の軸線方向に異なった位置に配置されている点である。なお、開口７はいずれの小タンク４でも、コア３の反対側に開口する。このように隣接する小タンク４の開口７を軸線方向に異ならせることにより、短管６と小タンク４との溶接の際、それらが互いに離間しているため、隣接する短管６に邪魔されることなく、短管６の溶接が可能となる。
（作用）
これらの実施例では、各ユニット５のチューブ２内にヘッダタンク８を介して高温のオイルが流通し、各コア３の平面に直行する方向に空気流が流通する。そして、その空気とオイルとの間で熱交換される。
この時、各チューブ２内のオイルの流速は、開口７に近いほど速くなり、それから遠くなるにつれて流速が相対的に遅くなる。開口７近傍のチューブを通過した冷却風とオイルとの熱交換量は、他の位置のそれよりも大きくなる。
そして、冷却風の上流側に位置するユニット５の小タンク４の開口７に対して、下流側のユニット５の小タンク４の開口７は軸線方向に位置ずれしているため、より高温となった冷却風は下流側において、流速の遅いチューブ２を通過することになる。
また、上流側でオイルの流速の遅いチューブ２を通過し、空気流の熱交換量の小さいチューブを通過した比較的低温の空気流は、下流側で流速の速いチューブ２を通過することになる。
そのため、複数のユニット５を通過した最終の空気流は各部において、略等しい温度となり、全体として熱交換量を大きくすることができる。

上記の実施例の熱交換器では、オイルクーラについて述べたが、本発明はそれに限らず、エンジン冷却水冷却用のラジエータやインタークーラに利用することもできる。

１ フィン
２ チューブ
３ コア
４ 小タンク
５ ユニット
６ 短管
７ 開口
８ ヘッダタンク
８ａ タンク本体
８ｂ 上蓋
９ 接続口
１０ 端蓋
１１ フランジ
１２ 溶接部
１３ 接続ブラケット
１４ サイドメンバー
１５ Ｏリング
１６ パイプ
１７ ボルト

Claims (5)

1. それぞれフィン（１）とチューブ（２）とが交互に並列されてコア（３）を形成し、
   各チューブ（２）の両端が挿通されるように、コア（３）の両端に小タンク（４）が配置されてユニット（５）を構成し、
   複数の同一形状のユニット（５）がその厚み方向に重なって並列され、
   熱交換媒体が各小タンク（４）を介して、各コア（３）の各チューブ（２）に供給され、空気流が各コア（３）の平面に交差するように導かれる熱交換器のタンク構造において、
   各ユニット（５）の各コア（３）と小タンク（４）がろう付固定されており、
   各小タンク（４）およびそれらに連結するヘッダタンク（８）がパイプ材よりなり、
   各小タンク（４）には、そのコア（３）の反対側の位置に開口（７）が形成され、
   隣り合う第１の小タンク（４）の開口（７）と、第２の小タンク（４）の開口（７）とが各小タンク（４）の長手方向に位置を異にして配置されることで、空気流の上流側のユニット（５）の熱交換媒体の流速の大きい位置と、空気流の下流側のユニット（５）の熱交換媒体の流速の大きい位置とが位置ずれしていると共に、それらの各開口（７）に整合するように、前記ヘッダタンク（８）に複数の接続口（９）が形成され、
   前記ヘッダタンク（８）が各小タンク（４）の軸線方向に交差した状態で、前記ヘッダタンク（８）の各接続口（９）と各小タンク（４）の開口（７）とが、短管（６）で連結され、
   各ユニット（５）の小タンク（４）の開口（７）と短管（６）の一方の端部及び、ヘッダタンク（８）の各接続口（９）と短管の他方の端部が溶接固定されており、
   前記ヘッダタンク（８）から並列された各ユニット（５）の熱交換媒体の流通方向の上流側の小タンク（４）の開口（７）に熱交換媒体が流通されることを特徴とする熱交換器のタンク構造。
2. 請求項１に記載の熱交換器のタンク構造において、
   各小タンク（４）の軸線に斜めに交差する一直線上に、各小タンク（４）の開口（７）が配置され、ヘッダタンク（８）の軸線に平行な一直線上の外面に、前記各開口（７）に整合する接続孔（９）が設けられた熱交換器のタンク構造。
3. 請求項１に記載の熱交換器のタンク構造において、
   各小タンク（４）の各開口（７）が平面視で千鳥に配置された熱交換器のタンク構造。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器のタンク構造において、
   前記ヘッダタンク（８）は、半割り状のタンク本体（８ａ）と上蓋（８ｂ）とで構成されており、前記タンク本体（８ａ）に複数の前記接続口（９）が形成された熱交換器のタンク構造。
5. 請求項４に記載の熱交換器のタンクの製造方法において、
   前記ヘッダタンク（８）を形成する工程と、短管（６）を介して、前記タンク本体（８ａ）の接続口（９）と各小タンク（４）の開口（７）とを溶接固定する工程と、
   ついで、タンク本体（８ａ）と上蓋（８ｂ）との間を溶接する工程と、を具備する熱交換器のタンクの製造方法。

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