JP7025914B2

JP7025914B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7025914B2
Application number: JP2017239540A
Authority: JP
Inventors: 匠造若松
Original assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: JP2019105428A

Description

この発明は、アルミニウム合金等からなる比較的薄いコアプレートを複数積層してなる熱交換器に関し、特に、流体の入口ないし出口として略Ｌ字形に曲がった金属管からなるコネクタを有する熱交換器に関する。

オイルクーラ等の熱交換器として、アルミニウム合金等からなる比較的薄いコアプレートを複数積層し、隣接するコアプレートの間に２つの流体の通路を交互に形成した構成のものが知られている。この種の熱交換器は、特許文献１に記載のように、コアプレートを積層してなるコア部の上に、コアプレートよりも相対的に板厚が厚い頂部プレートを配置し、この頂部プレートに、一方の流体例えば冷却水の入口ないし出口を構成する金属管からなるコネクタを取り付けた構成となっている。

上記コネクタは、コアプレートや頂部プレートと同種の金属、例えばアルミニウム合金製の金属管からなり、端部を頂部プレートに予めかしめ止めした上で、炉内でのオイルクーラ全体のろう付け時に頂部プレートにろう付けされている。このコネクタは、ここに接続されるチューブ類が占有するスペースを小さくするために、特許文献１に開示されているように、Ｌ字形に曲げられた形状をなしていることが多い。この場合には、予めＬ字形に構成したコネクタが頂部プレートに取り付けられる。

断面円形の金属管をＬ字形に曲げると、通常、曲がり部の断面形状は、短径が曲げ方向に沿った楕円形に変形する。つまり、断面形状が偏平化する。このように曲げ方向に沿って偏平化した断面形状では、曲げ方向に沿った荷重入力（例えばコネクタ先端部にチューブを挿入する際の挿入力やチューブの振動による荷重入力）に対する強度が低くなる。

このようなことから、特許文献２には、Ｌ字形に曲がった曲がりパイプの曲がり部における断面形状を、長径が曲げ方向が沿った楕円形とした構成が開示されている。

特開２０１４－９５４９２号公報特開平８－２６１３８３号公報

Ｌ字形に曲がった管の中を冷却水等の流体が流れるときに、流れは、曲がり部においては遠心力でもって片寄り、外周側部分の流速が内周側部分の流速に比較して高くなる。そのため、一般的な円形断面の管においては、曲がり部において圧力損失が増加するとともに、外周側部分における内部腐食が悪化する傾向となる。特許文献２のように曲がり部の断面形状を長径が曲げ方向に沿った楕円形状とすると、このような傾向が一層顕著となり、好ましくない。

この発明は、流体通路を構成する複数のコアプレートを積層してなるコア部と、このコア部の最上部に積層され、かつ上記コアプレートよりも相対的に厚い頂部プレートと、流体の入口もしくは出口として頂部プレートに取り付けられた略Ｌ字形に曲がった断面円形の金属管からなるコネクタと、を備え、各部一体にろう付けされてなる熱交換器において、
上記コネクタの曲がり部における断面形状が、内周側部分と外周側部分とに大別され、曲がり部の内周側部分においては一対の直線部を曲率半径の小さな円弧で接続した略Ｖ字形をなし、曲がり部の外周側部分においては円弧形をなしており、
上記内周側部分における上記一対の直線部は、上記外周側部分における円弧形部分の両端に、管断面の外周側へ折れ曲がることなく連続している、ことを特徴としている。

このような構成では、曲がり部の内周側部分の断面形状が略Ｖ字形となっていることにより、外周側の円弧形部分と組み合わせた断面形状全体での断面係数が大きくなり、曲げ方向に沿った荷重に対する曲がり部の強度が高く得られる。

そして、内周側部分の断面形状が略Ｖ字形をなすことで、断面を内周側と外周側とに２分したときの内周側の断面積が小さくなり、内周側部分での流速が高くなる。つまり、遠心力により高くなりがちな外周側部分の流速と内周側部分の流速との差異が小さくなり、曲がり部の断面形状が真円形の場合や特許文献１のような楕円形の場合に比べて圧力損失や内部腐食の点で有利となる。

本発明の好ましい一つの態様では、上記曲がり部は、略９０°曲がっており、この曲がり部の両端の円形断面から曲がり部の中央部へ向かって断面形状が徐々に変化している。

また好ましい一つの実施例では、上記曲がり部の外周側部分における円弧形部分が半円形をなしている。

上記曲がり部の内周側部分における略Ｖ字形部分の頂角は、例えば、６０～１２５°の範囲内にある。

この発明によれば、略Ｌ字形に曲がったコネクタの曲がり部の強度を高めることができるとともに、曲がり部が断面真円形をなすものや長径が曲げ方向に沿った楕円形断面としたものに比較して、内周側部分と外周側部分の流速差が小さくなり、曲がり部における圧力損失や内部腐食の点で有利となる。

この発明の一実施例となるオイルクーラの斜視図。第１実施例のＬ字形コネクタを部品単体で示す斜視図。同コネクタの断面図。同コネクタの側面図。同コネクタの曲がり部の断面を示し、（ａ）～（ｅ）は、それぞれ図４のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、Ｃ－Ｃ線、Ｄ－Ｄ線、Ｅ－Ｅ線に沿った断面図。第２実施例のＬ字形コネクタを部品単体で示す斜視図。同コネクタの断面図。同コネクタの側面図。同コネクタの曲がり部の断面を示し、（ａ）～（ｅ）は、それぞれ図８のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、Ｃ－Ｃ線、Ｄ－Ｄ線、Ｅ－Ｅ線に沿った断面図。第３実施例のＬ字形コネクタを部品単体で示す斜視図。同コネクタの断面図。同コネクタの側面図。同コネクタの曲がり部の断面を示し、（ａ）～（ｅ）は、それぞれ図１２のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、Ｃ－Ｃ線、Ｄ－Ｄ線、Ｅ－Ｅ線に沿った断面図。第４実施例のＬ字形コネクタを部品単体で示す斜視図。同コネクタの断面図。同コネクタの側面図。同コネクタの曲がり部の断面を示し、（ａ）～（ｅ）は、それぞれ図１６のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、Ｃ－Ｃ線、Ｄ－Ｄ線、Ｅ－Ｅ線に沿った断面図。Ｌ字形コネクタの曲げ加工工程に用いる装置の説明図。同装置の分解説明図。曲げＲ型の（ａ）平面図および（ｂ）そのｂ－ｂ線に沿った断面図。曲げ加工工程の工程説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る熱交換器の一実施例として、例えば自動車用内燃機関の潤滑用オイルを冷却水との熱交換により冷却するオイルクーラを示している。なお、以下では、理解を容易にするために必要に応じて図１の姿勢を基準として「上」「下」の用語を用いるが、実際のオイルクーラの使用時には、図１の取付姿勢に限定されるものではない。

オイルクーラは、比較的厚い板状の底部プレート２の上に、多数の薄板状のコアプレート５をフィンプレート（図示せず）とともに積層してなるコア部１が載置され、かつこのコア部１の上に、コアプレート５よりも厚い頂部プレート４が重ねられた構成となっている。そして、頂部プレート４に、冷却水入口および冷却水出口となる２本のコネクタ６，７が取り付けられている。これらのコネクタ６，７は、断面円形の金属管からなり、基端部が頂部プレート４からコアプレート５の積層方向に沿って垂直に立ち上がっているとともに、円弧形に湾曲した曲がり部６ａ，７ａを介して頂部プレート４と平行に延びるように略Ｌ字形に曲げられており、先端部６ｂ，７ｂがコア部１の外形よりも外側に位置するように長く延びている。なお、図示例では、２つのコネクタ６，７は、互いに同一の構成であり、先端部６ｂ，７ｂが互いに反対方向を指向するように配置されている。

オイルクーラの各構成部品（つまり、コアプレート５、底部プレート２、頂部プレート４、コネクタ６，７）は全てアルミニウム系材料にて構成されており、所定の状態に組み立てた後に治具で保持したまま炉内で加熱することにより各部一体にろう付けされている。なお、ろう材の供給手法としては、コアプレート５等を、アルミニウム系材料からなる母材の表面にろう材（例えば母材よりも融点が低いアルミニウム系材料）をコーティングしたいわゆるクラッド材として形成してもよく、あるいはシート状等とした別のろう材を接合面に配置するようにしてもよい。

コア部１は、基本的な形状が同一の矩形状をなす浅皿状のコアプレート５を図示しないフィンプレートとともに多数積層することで、隣接する２枚のコアプレート５の間に、オイル通路と冷却水通路とを交互に構成するようにしたものであり、コアプレート５としては、実際には細部が異なる複数種のコアプレート５を含み、これらが適宜に組み合わせてある。このコア部１の構成は、特許文献１に開示されているように公知の構成であり、本発明の要部ではないので、その詳細な説明は省略する。コネクタ６，７は、矩形をなすコア部１の対角線上の２箇所に接続されており、その一方から流入した冷却水がコアプレート５間の複数の冷却水通路を流れた上で、他方から流出する。熱交換の対象となるオイルのオイル入口およびオイル出口は、コア部１の残りの対角線上の２箇所に対応して底部プレート２に設けられており、オイル入口から流入したオイルがコアプレート５間の複数のオイル通路を流れた上でオイル出口から流出する。これにより、オイルと冷却水との間で熱交換がなされる。

図示例のコアプレート５は、周縁にテーパ状に立ち上がった側壁部５ａを有する構成であり、上下方向に積層された各コアプレート５の側壁部５ａが互いにろう付けされることで、各段のオイル通路および冷却水通路の周囲が密封されている。上記側壁部５ａは、各々斜め上方へ向かって延びており、従って、最上部のコアプレート５では、四方を囲むように当該コアプレート５の上面から上方へ突出している。最上部のコアプレート５の上に重ねられる頂部プレート４は、最上部のコアプレート５の四辺の側壁部５ａの内周側に位置しており、その板厚は、側壁部５ａの上方への突出量よりも小さい。従って、頂部プレート４は、側壁部５ａの中に落とし込まれた形となっており、その周囲がコアプレート５の側壁部５ａでもって囲まれている。なお、本発明においては、コア部１は、必ずしも図示例の構成に限定されるものではない。

コネクタ６，７は、一端部が頂部プレート４にかしめ止めされた上でろう付けされている。頂部プレート４の２箇所の角部には、コネクタ６，７を取り付けるための円筒状（詳しくはテーパ筒状）のコネクタ取付ボス部１０，１１が取付孔（図示せず）を囲むようにして上方へ突出して形成されている。また、先端開口縁がコネクタ取付ボス部１０，１１内の取付孔に挿入されるコネクタ６，７の一端部には、予め円環状に膨出部１２，１３が加工形成されており、コネクタ取付ボス部１０，１１内に挿入されたコネクタ６，７の先端を頂部プレート４の下面側から拡開変形させることで、コネクタ６，７が頂部プレート４にかしめ止めされている。

図２～図４は、頂部プレート４にかしめ止めする前のコネクタ６を部品単体で示している。なお、他方のコネクタ７も同様の構成であるので、以下では、コネクタ６を代表として説明する。図示するように、コネクタ６は、頂部プレート４への取付前に予めＬ字形に曲げられている。このコネクタ６は、アルミニウムの断面真円形の管を母材としており、頂部プレート４に取り付けられる側の一端部に上述の膨出部１２が円環状に形成されている。この膨出部１２からさらに延びた先端開口縁１４は、かしめ止めの際に頂部プレート４の下面側で拡開変形される部分となる。また、図示せぬチューブが挿入される他端部には、挿入されたチューブを確実に保持するための２つの円環状のビード１５，１６が膨出形成されている。

曲がり部６ａは、膨出部１２とビード１６との間で、９０°曲がるように円弧形に湾曲して形成されている。膨出部１２およびビード１６に近い部分は、それぞれ比較的に短い直管部６ｃ，６ｄとなっており、曲がり部６ａの両端はこれら直管部６ｃ，６ｄに滑らかに連続している。

ここで、曲がり部６ａは、図５に示すような異形断面形状を有している。図５（ｃ）は、曲がり部６ａの中央部つまり図４のＣ－Ｃ線に沿った断面を示しているが、このＣ－Ｃ断面においては、略１８０°の半円形をなす円弧形部２１と、この円弧形部２１の両端に連続した一対の直線部２２ａを曲率半径の小さな円弧からなる頂部２２ｂで接続した略Ｖ字形をなすＶ字形部２２と、から断面が構成されている。円弧形部２１は、曲がり部６ａの外周側部分を構成し、Ｖ字形部２２は、曲がり部６ａの内周側部分を構成している。このような断面形状は、母材となる断面真円形の管を円筒状の型の外周に沿って曲げ加工する際に、型の外周面にＶ字形部２２に対応した断面Ｖ字形の凹溝を予め設けておき、この凹溝の中に母材を押し込むようにしつつ曲げることによって形成される。加工工程の詳細については後述する。従って、円弧形部２１は、基本的に母材の半径と略等しい半径の円弧を保持している。この第１実施例では、Ｖ字形部２２は、７５°の頂角を有している。

図５（ｂ），（ｄ）は、図４のＢ－Ｂ線およびＤ－Ｄ線に沿った断面であり、また図５（ａ），（ｅ）は、Ａ－Ａ線およびＥ－Ｅ線に沿った断面である。これらの図に示すように、曲がり部６ａの断面形状は、直管部６ｃ，６ｄにおける真円形断面から上述した曲がり部６ａ中央の図５（ｃ）の断面形状へと徐々に変化する。基本的には、直管部６ｃ，６ｄに近付くに従って直線部２２ａが短くなってＶ字形部２２の大きさが小さくなり、円弧形部２１が占める範囲が大きくなる。なお、図示例ではＶ字形部２２の頂角が一定となっているが、直管部６ｃ，６ｄに近いほど頂角を拡げるようにしてもよい。

図２～図４に示したコネクタ６の中心線ＣＬは、曲がり部６ａにおいては、円弧形部２１の曲率半径の中心に沿っている。換言すれば、母材の中心線に相当する。この湾曲した中心線ＣＬを含む平面を中心としてＶ字形部２２は対称に構成されている。

このような断面形状を有するコネクタ６においては、内周側部分のＶ字形部２２の存在によって曲がり部６ａの断面係数が高くなり、曲げ方向に沿った外力（つまり中心線ＣＬを含む平面に沿った外力）に対する曲がり部６ａの強度が高くなる。

また、曲がり部６ａにおける流体（例えば冷却水）の流れとしては、Ｖ字形部２２によって内周側の流路がＶ字形に狭められるため、内周側が半円形断面である場合に比べて内周側部分での流速が高くなる。従って、遠心力によって流速が高くなる傾向を有する外周側部分と内周側部分との流速差が小さくなり、外周側部分で流速が高くなることに起因した圧力損失や内部腐食が抑制される。

次に、図６～図９は、コネクタ６の第２実施例を示している。この第２実施例は、Ｖ字形部２２の頂角を６０°としたものであり、図９（ｃ）に曲がり部６ａ中央のＣ－Ｃ断面を示すように、略半円形をなす円弧形部２１とＶ字形部２２とで異形の断面形状が構成されている。この第２実施例では、頂角が６０°と狭いことから、前述した第１実施例に比較してＶ字形部２２がより細長い断面形状となる。

図１０～図１３は、コネクタ６の第３実施例を示している。この第３実施例は、Ｖ字形部２２の頂角を９０°としたものである。従って、Ｖ字形部２２は比較的幅広な構成となる。また、円弧形部２１は、１８０°を越えて拡がっている。

図１４～図１７は、コネクタ６の第４実施例を示している。この第４実施例は、Ｖ字形部２２の頂角を９０°よりも大きな１２５°としたものである。従って、Ｖ字形部２２は幅広な構成となっており、円弧形部２１は１８０°を越えて拡がっている。

このように頂角が広いものでは、断面形状の縦横比が真円形と大差のないものとなるが、やはり内周側に直線部２２ａを接続したＶ字形部２２が存在することで、曲げ方向の荷重に対する強度が向上する。

なお、図１の実施例では、２本のコネクタ６，７がいずれもＬ字形に曲がっているが、いずれか一方がＬ字形をなし他方は直線状をなしている構成の熱交換器においても本発明は適用が可能である。

次に、図１８～図２１を参照して、上記のような異形断面のＬ字形コネクタ６，７を形成する曲げ加工工程について説明する。

図１８は、曲げ加工を行う曲げ加工装置の構成を直管状のコネクタ６（つまり曲げ加工前のワークとなるコネクタ６）をセットした状態で示した説明図であり、図１９は、この装置の構成要素を分解して示した説明図である。これらの図に示すように、曲げ加工装置は、ワークとなる直管状のコネクタ６の曲がり部６ａに相当する箇所を互いに対向する２方向から挟み込む曲げＲ型３１および曲げ型３２と、初期状態では曲げ型３２に並んで固定状態に配置される抑え型３３と、ワークとなる直管状のコネクタ６の中に挿入される芯金３４と、を備えて構成されている。

曲げＲ型３１は、半円筒形の半円部３１ａと長方形状をなす矩形部３１ｂとが一体となった形状をなし、半円部３１ａの曲率半径の中心に回転軸３５を備えている。この曲げＲ型３１の外周面には、図２０に示すように、所望のＶ字形部２２の頂角に対応した断面Ｖ字形をなす凹溝３６が設けられている。また、曲げ型３２は、曲げＲ型３１とともにコネクタ６の先端側の直管部６ｄを挟持するものであり、コネクタ６外周面に接する面は凹んだ円筒面（図示せず）となっていることが望ましい。この曲げ型３２は、曲げＲ型３１と一体となって回転軸３５を中心として回転するように構成されている。また、曲げ型３２は、曲げＲ型３１の矩形部３１ｂの一方の側面に対向している。

なお、図示例では、真円状の母材にビード１５，１６を加工した後に曲げ加工を行うようになっており、ビード１６部分を両側から挟む曲げＲ型３１および曲げ型３２にそれぞれビード１６を受ける切欠溝３７，３８が設けられている。

抑え型３３は、曲げ加工時にワークとなる直管状のコネクタ６を保持するためのものであり、曲げ加工時の反力を受けるように堅固に固定されている。コネクタ６外周面に接する面は、やはり凹んだ円筒面（図示せず）となっていることが望ましい。

芯金３４は、ワークとなる直管状のコネクタ６の内周面に極僅かな隙間を介して挿入可能な丸棒状に構成されており、先端部３４ａは、半球状に丸められている。この芯金３４は、図１８に示すように、曲げ加工の開始点となる曲げＲ型３１の半円部３１ａと矩形部３１ｂとの境界付近に先端部３４ａが位置した状態でもって固定されている。

図２１は、上記のように構成された曲げ加工装置による曲げ加工の工程説明図である。図の（ａ）は、ワークをセットした曲げ加工前の状態を示し、（ｂ）は、曲げ加工の途中の状態を示し、（ｃ）は、曲げ加工が完了した状態を示す。図示するように、ワークとなる直管状のコネクタ６は、直管部６ｃとなる基端部側の部分が抑え型３３と芯金３４とによって保持され、先端側のビード１６部分が曲げＲ型３１と曲げ型３２とで挟持される。この状態から油圧や電動モータを用いた駆動機構によって曲げＲ型３１および曲げ型３２が回転軸３５を中心として旋回する。これにより、ワークであるコネクタ６は曲げＲ型３１の半円部３１ａの外周に沿って湾曲していく。このとき、曲がり部６ａの内周側部分は、曲げＲ型３１の外周に設けられた断面Ｖ字形の凹溝３６に沿って変形するので、前述した各実施例のようなＶ字形部２２が内周側に形成される。また、曲がり部６ａの外周側部分は、内側の芯金３４によって断面形状の変形や潰れが抑制されるので、前述したように基本的に母材の径に沿った円弧形部２１が形成される。

１…コア部
２…底部プレート
４…頂部プレート
５…コアプレート
６，７…コネクタ
６ａ，７ａ…曲がり部
２１…円弧形部
２２…Ｖ字形部
２２ａ…直線部

Claims

流体通路を構成する複数のコアプレートを積層してなるコア部と、このコア部の最上部に積層され、かつ上記コアプレートよりも相対的に厚い頂部プレートと、流体の入口もしくは出口として頂部プレートに取り付けられた略Ｌ字形に曲がった断面円形の金属管からなるコネクタと、を備え、各部一体にろう付けされてなる熱交換器において、
上記コネクタの曲がり部における断面形状が、内周側部分と外周側部分とに大別され、曲がり部の内周側部分においては一対の直線部を曲率半径の小さな円弧で接続した略Ｖ字形をなし、曲がり部の外周側部分においては円弧形をなしており、
上記内周側部分における上記一対の直線部は、上記外周側部分における円弧形部分の両端に、管断面の外周側へ折れ曲がることなく連続している、ことを特徴とする熱交換器。
上記曲がり部は、略９０°曲がっており、この曲がり部の両端の円形断面から曲がり部の中央部へ向かって断面形状が徐々に変化している、ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
上記曲がり部の外周側部分における円弧形部分が半円形をなしている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
上記曲がり部の内周側部分における略Ｖ字形部分の頂角が、６０～１２５°の範囲内にある、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の熱交換器。