JP7091308B2 - ドロンカップ型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、一対のカッププレート内にインナーフィンを収容したチューブエレメントを複数積層したドロンカップ型熱交換器に関する。

オイルクーラ等の熱交換器は、例えば自動車のエンジンオイルを冷却水で冷却する際に利用される。このような熱交換器として、一対のカッププレート内にインナーフィンを収容したチューブエレメントを複数積層して構成されるドロンカップ型の熱交換器が多く採用されている。
図１０、図１１にドロンカップ型の熱交換器に使用される従来の一般的なチューブエレメントの例を示す。図１０はチューブエレメントの一部を示す部分断面図であり、図１１は図１０におけるＸＩ－ＸＩ矢視平面図である。
図１０、図１１において、細長いチューブエレメント１は対向配置した一対のカッププレート２ａ，２ｂの周縁を互いにろう付接合して形成され、その内部空間に、オフセット型のインナーフィン３が収容されている。そのカッププレート２ａ，２ｂはインナーフィン３を収容する偏平で細長い収容部４と、その収容部４の両端部にカップ部５を有し、そのカップ部５には、積層された各チューブエレメント１内に流体を連通させるための流通孔６が形成されている。
チューブエレメント１が複数積層された状態で互いに接合されて、熱交換器のコア部が形成される。
図１０には最下層のチューブエレメント１と、その上部に積層される２番目のチューブエレメント１のみが例示されており、３番目以降は一点鎖線で示した範囲に順次同様に積層され、さらに各チューブエレメント１の間にはアウターフィン７が配置される。なお最下層のチューブエレメント１は上側がカッププレート２ａで下側が底板８で形成される。
各カッププレート２ａ，２ｂの収容部４の長手方向の両端部に積層方向に連通する一対の方円状のカップ部５が形成され、図１０に示すように、その周辺部分が１段立上げられた段差部５ａを形成し、その段差部５ａの周縁には水平に伸びる平坦な接合用の小フランジ部が形成されている。

積層された複数のチューブエレメント１をろう付などにより互いに接合して熱交換器のコア部を形成する場合、各カッププレート２ａ，２ｂ、インナーフィン３およびアウターフィン７も同時に接合される。平面の全体形状が偏平なインナーフィン３が、その上面と下面がそれぞれ対向するカッププレート２ａ，２ｂの収容部４の内面と接合されることにより、チューブエレメント１全体が補強され、その耐圧強度が確保される。そのため、これら各部品は、予め決められた相互の関係位置に配置され、その配置状態を維持して全体的に接合される必要がある。
しかし、仮組工程や接合工程において多少の位置ずれが発生することも多い。特にインナーフィン３を接合する際に生じる位置ずれは、熱交換器の性能に影響を及ぼすとともに、その耐圧強度にも大きな影響を及ぼす。
そのゆえ、従来から、カッププレート２ａ，２ｂに設定するインナーフィン３の位置ずれを防止するため、カッププレート２ａ，２ｂにおける収容部４のカップ５側に移動防止用の障害物となるダボを取り付け、そのダボでインナーフィン３のカップ部５側への移動を阻止する方法が採用されている。
しかし、ダボの位置は、収容部４の長手方向の先端部より内側になるので、それより先端側においては、収容部４の内面と、インナーフィン３の上下面との接合が無く、チューブエレメント１全体の強度が低下し耐圧性が低下する。
すなわち、このような未接合部分の存在により、内圧に対する変形量が増加するとともに、カッププレート２ａ，２ｂに固定したダボに応力が集中するので、特に耐圧の要求仕様が高い熱交換器においては、耐圧強度を確保することが困難になる。
この問題を回避するため、カッププレート２ａ，２ｂやアウターフィン７の板厚を厚くすることも考えられるが、その場合は重量増加やコストアップなどの別の問題が発生する。
また、カッププレート２ａ，２ｂどうしを接合するために、カッププレートの周縁に小フランジ部を形成すると、流通孔の開口面積の確保を条件とした場合は、その小フランジ部の分だけ、熱交換器全体が大型化することになり、一方、大型化の回避を条件とした場合は、その小フランジ部の分だけ、流通孔の開口面積が減少し流体の流通抵抗が増加することになる。
そこで本発明は、これらの問題を解決した新しい熱交換器の提供を課題とする。

本発明の第１の発明は、一対のカッププレート内にインナーフィンを収容した細長いチューブエレメントを、複数積層して構成されるドロンカップ型熱交換器において、
カッププレートは、インナーフィンを収容する偏平な収容部と、収容部の両端部に連通する一対のカップ部を有し、カップ部には積層される各チューブエレメント内に流体を連通させる流通孔が形成され、収容部には収容されるインナーフィンの長手方向両端部をカップ部の流通孔より手前に位置決めするため、その長手方向の両先端部における幅方向の少なくとも一端部に角部が形成され、
前記互いに対向する一対のカッププレートにおけるカップ部間の接合は、各カップ部における流通孔の流通方向に沿った側面が互いに重なり合った状態で接合されており、
前記接合において、重なりの内側に位置するカッププレートの側面の端部は、一対のカッププレートとインナーフィンとが組み合された状態において、インナーフィンの高さを超えて他方のカッププレート側に突出せず、
前記接合において、重なりの外側に位置するカッププレートの側面に段差部が形成されると共に、その段差部から立ち上がった側面の端部が外側に拡開されており、少なくとも一部の段差部の底面に、重なりの内側に位置するカッププレートの側面の端部が接した状態で接合されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の発明は、第１の発明において、段差部は、重なりの外側に位置するカッププレートの長手方向の先端部の近傍のみに、カップ部の半径方向の外側に膨出して形成されており、そこに重なりの内側に位置するカッププレートの側面 の下端面 が着座されていることを特徴とする（請求項２）。

第１の発明は、収容部に収容されるインナーフィンの両端部を、カッププレート２ａ，２ｂのカップ部５の流通孔より手前に位置決めするため、その長手方向の両先端部における幅方向の少なくとも一端部に角部９が形成されていることを特徴とする。このように構成すると、収容部４内にダボなどの障害物を設ける必要がなくなり、インナーフィン３の両端部を収容部４の先端部に位置する角部９に一致させることにより、インナーフィン３とカッププレート２ａ，２ｂとを位置決めすることができる。それにより、カッププレートにおいてインナーフィンと接合されていない部分が減少するので、チューブエレメント１の耐圧性が向上し、チューブエレメント１を構成する各部品の薄肉化も可能になる。
また、互いに対向する一対のカッププレート２ａ，２ｂにおけるカップ部５間の接合は、各カップ部５における流通孔の流通方向に沿った側面１０が互いに重なり合った状態で接合されていることを特徴とする。このように構成すると、前記小フランジ部が不要となるので、熱交換器が大型化することなく流通孔の開口面積を確保することができる。
そして、重なりの内側に位置するカッププレート２ａの側面１０の端部は、インナーフィン３の高さを超えて他方のカッププレート２ｂ側に突出していないことを特徴とする。このように構成すると、カッププレート２ａの側面１０の端面を、収容部４における側面１０の端面に合わせて、カッププレート２ａの全周に渡って略同一の平面上に揃えることが可能となり、カッププレート２ａのプレス加工による成型加工性および材料歩留りが向上する。
さらに、重なりの外側に位置するカッププレートの側面に段差部が形成されると共に、その段差部から立ち上がった側面の端部が外側に拡開されており、少なくとも一部の段差部の底面に、重なりの内側に位置するカッププレートの側面の端部が接した状態で接合されていることを特徴とする。
このように拡開すると、その部分が双方のカッププレートを嵌合させる際にガイドとして機能するので、その嵌合が容易になり、作業性が向上する。また、少なくとも一部の段差部１１の底面に他方のカッププレートの端部が接した状態でろう付などの接合が行われるように構成すると、接合工程において各カッププレート２ａ，２ｂの積層方向に圧縮荷重を付加した場合においても、その荷重は当該段差部１１で支持されるので、上下に対を為すカッププレート２ａ，２ｂの嵌合部がずれたり変形したりすることなく健全かつ気密に接合される。

図１は本発明の熱交換器の実施形態において、積層される複数のチューブエレメントの一部を分解して示す部分分解斜視図。
図２は図１における各チューブエレメントを互いに積層した状態を示す部分側断面図。
図３は図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ矢視の平断面図。
図４は本発明の熱交換器の第２の実施形態であって、各チューブエレメントを互いに積層した状態を示す部分側断面図。
図５は図４におけるＶ－Ｖ矢視の平断面図。
図６は本発明の第３の実施形態の部分側面図。
図７は同平面図。
図８は同要部拡大断面図。
図９は同要部断面図。
図１０は従来の熱交換器において、各チューブエレメントを互いに積層した状態を示す部分側断面図。
図１１は図１０におけるＶＩＩ－ＶＩＩ矢視の平断面図。

次に、図面により、本発明の熱交換器の構成要素であるチューブエレメントの実施形態を説明する。図１は積層される複数のチューブエレメントの一部を分解して示す部分分解斜視図であり、図２、図３は図１のチューブエレメント１を積層した状態を示す図である。なお本発明の実施形態における各図面の各部材が、前述した図１０、図１１における各部材と略同様の場合には、図１０、図１１と同一の符号を付し、重複する説明は可能な範囲で省略する。
図１において、それぞれ細長い、上側のカッププレート２ａと、下側のカッププレート２ｂと、両カッププレート２ａ，２ｂ間に介装されるインナーフィン３とによりチューブエレメント１が構成される。そして、上側のカッププレート２ａの外周縁が下側のカッププレート２ｂの内周に嵌着される。その下側のカッププレート２ｂの周縁は、段付きに形成され、その外周縁部が外側に拡開し、その拡開部８ｂが上側のカッププレート２ａの縁部を円滑に案内する。さらに、上下方向に積層される各チューブエレメント１の間にアウターフィン７が配置される。なお最下側に示すのは底板８であり、その平面形状は下側のカッププレート２ｂと同一である。この例では、その底板８の長手方向の両端のカップ部の底面には、積層方向の上方に向けた円形凸部８ａが形成されているが、この円形凸部８ａは無くとも良い。カッププレート２ａ，２ｂ、インナーフィン３およびアウターフィン７の材質は、アルミニウム合金やステンレス鋼などの金属材であり、インナーフィン３の形状としては例えばオフセットフィン、その他の公知のフィンを使用することができる。
上下一対のカッププレート２ａ，２ｂを互いに対向させた状態において、それらの長手方向の中央部に平面方形の収容部４が形成され、その長手方向の両端部に平面が方円形で且つ収容部４より高さの高い偏平なカップ状のカップ部５が形成される。インナーフィン３はカッププレート２ａ，２ｂの収容部４内に配置される。そしてカップ部５の底には流体を積層方向に流通させるための略円形の流通孔６が形成されている。なお流通孔６は上下一対のカッププレート２ａ，２ｂのそれぞれに同軸的に形成される。
カッププレート２ａ，２ｂの収容部４の幅は、その両端部に連通するカップ部５の幅よりわずかに大きく形成されている。そして収容部４の長手方向の両端部と、カップ部５の方円形の方形部分との境の４箇所に、角部９が形成される。本実施形態では、各角部９がカッププレート２ａ，２ｂの長手方向に対し傾斜しているが、その傾斜に代えて、角部９を直角に形成してもよい。
図３に示すように、インナーフィン３の長手方向の先端部の幅方向の両部は、収容部４の一対の角部９に接触した状態で位置決めされる。
図２に示すように、対向するカップ部５は、各カップ部５における流通孔６の流通方向に沿った側面１０が互いに重なり合った状態となっている。そして図中、下側のカップ部５の側面１０に外側へ段差部１１が形成されると共に、その段差部１１から立ち上がった側面１０の端部が外側に拡開されて、そこに拡開部８ｂが形成されている。また、重なりの内側に位置するカッププレート２ａの側面１０の端部は、インナーフィン３の高さを超えて他方のカッププレート２ｂ側に突出していない。なお図１においては、これら段差部１１や側面１０の端部の外側への拡開は、図面の複雑化を避けるため省略して示されている。
上記のように側面１０を互いに重ねた状態とすることにより、カップ部５の接合部を小さくして、コンパクトな熱交換器としている。また、側面１０の端部を外側に拡開して拡開部８ｂとすると、その拡開部８ｂに上側のカッププレート２ａの側面１０の縁部を案内することができる。それによって、その側面１０どうしの嵌合作業が容易になり、その作業効率が向上する。
また、カッププレート２ａの側面１０の端部は、インナーフィン３の高さを超えて他方のカッププレート２ｂ側に突出していないので、カッププレート２ａの側面１０の端面を、収容部４における側面１０の端面に合わせて、カッププレート２ａの全周に渡って略同一の平面上に揃えることが可能となり、カッププレート２ａのプレス加工による成型加工性および材料歩留りが向上する。
図２、図３のように位置決めした状態で、チューブエレメント１を構成する各部材、およびアウターフィン７などは、ろう付により一体に接合される。熱交換器をアルミニウム材とする場合には、ろう材が被覆されたクラッド材をプレートとして使用することができる。
図４、図５は本発明の熱交換器におけるチューブエレメント１の第２の実施形態を図２、図３に準じて示すものである。この実施形態が図２、図３の実施形態と異なる部分は、チューブエレメント１の収容部４に収容されたインナーフィン３の長手方向両先端部が、収容部４からカップ部５の内部に僅かに突出されている点で、そのほかは前記実施例と同様に形成される。
この実施形態では、インナーフィン３の長手向長さが収容部４の長手方向長さより幾分長く設定されている。そして、そして図４に示すように、幾分長い分だけインナーフィン３の先端部がカップ部５の内部に突出する。そして、この突出部分にろう付によるフィレットが形成されることにより、カッププレート２ａ、２ｂとインナーフィン３との接合面積がより増加し、かつ接合部の応力集中も緩和され、耐圧性がよりいっそう向上する。この突出量はインナーフィン３として例えばオフセットフィンを使用する場合、そのオフセットピッチ（あるオフセットから次のオフセットまでの寸法）の数ピッチ以内で十分であり、１ピッチ未満でも良い。突出部分は流体の圧力を受けるので、過剰な突出はその部分でインナーフィン３が折損する原因となる。なお、別の位置決め方法として、インナーフィン３の４隅を、図５に示す如く、カッププレート２ａ，２ｂの角部９の傾斜面に合わせた形状とし、両傾斜面によりカッププレート２ａ，２ｂとインナーフィン３とを位置決めしてもよい。
次に、図６は本発明の第３の実施形態の部分側面図であり、図７は同平面図、図８（Ａ）（Ｂ）は同要部拡大断面図、図９は図７のＡ－Ａにおける断面図である。この実施形態が前記実施形態と異なる点は、段差部１１ａ及びそれに着座する側面１０の形状である。図７のＡ－Ａ断面位置では、段差部１１ａが半径方向の外側に膨出して図８（Ａ）のように形成されており、そこに他方のカッププレートの側面１０の下端面１０ａが着座されている。このとき当該側面１０は、その下端面１０ａが段差部１１ａに整合するように、外側に膨出されている。
このように、段差部１１ａの底に他方のカッププレートの側面１０の下端面１０ａが接した状態でろう付接合することにより、接合工程において各部材の接触を確実にするために各カッププレート２ａ，２ｂの積層方向に圧縮荷重を付加した場合においても、その荷重は段差部１１ａで支持されるので、上下に対を為すカッププレート２ａ，２ｂの嵌合部がずれたり変形したりすることがない。
一方、図７のＢ－Ｂの断面位置では、段差部１１は、図８（Ｂ）のように、前記図４の実施形態と同じ形状に形成されている。
このように、荷重を支持する段差部１１ａをカッププレートの長手方向の先端部の近傍のみに限定して形成したことにより、カップレートの膨出を最小限にとどめるとともに流通孔の開口面積を十分に確保することが可能となり、小型で流通抵抗が低くかつ組立性の良い熱交換器を提供することができる。

本発明は、オイルクーラ等のドロンカップ型の熱交換器に利用できる。

１ チューブエレメント
２ａ カッププレート
２ｂ カッププレート
３ インナーフィン
４ 収容部
５ カップ部
５ａ 段差部
６ 流通孔
７ アウターフィン
８ 底板
８ａ 円形凸部
８ｂ 拡開部
９ 角部
１０ 側面
１０ａ 下端面
１１ 段差部
１１ａ 段差部

Claims (2)

1. 一対のカッププレート（２ａ，２ｂ）内にインナーフィン（３）を収容した細長いチューブエレメント（１）を、複数積層して構成されるドロンカップ型熱交換器において、
   カッププレート（２ａ，２ｂ）は、インナーフィン（３）を収容する偏平な収容部（４）と、収容部（４）の両端部に連通する一対のカップ部（５）を有し、カップ部（５）には積層される各チューブエレメント（１）内に流体を連通させる流通孔（６）が形成され、収容部（４）には収容されるインナーフィン（３）の長手方向両端部をカップ部（５）の流通孔（６）より手前に位置決めするため、その長手方向の両先端部における幅方向の少なくとも一端部に角部（９）が形成され、
   前記互いに対向する一対のカッププレート（２ａ，２ｂ）におけるカップ部（５）間の接合は、各カップ部（５）における流通孔（６）の流通方向に沿った側面（１０）が互いに重なり合った状態で接合されており、
   前記接合において、重なりの内側に位置するカッププレート（２ａ）の側面（１０）の端部は、一対のカッププレート（２ａ，２ｂ）とインナーフィン（３）とが組み合された状態において、インナーフィン（３）の高さを超えて他方のカッププレート（２ｂ）側に突出せず、
   前記接合において、重なりの外側に位置するカッププレート（２ｂ）の側面（１０）に段差部（１１）が形成されると共に、その段差部（１１）から立ち上がった側面（１０）の端部が外側に拡開されており、少なくとも一部の段差部（１１）の底面に、重なりの内側に位置するカッププレート（２ａ）の側面（１０）の端部が接した状態で接合された熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   段差部（１１ａ）は、重なりの外側に位置するカッププレート（２ｂ）の長手方向の先端部の近傍のみに、カップ部（５）の半径方向の外側に膨出して形成されており、そこに重なりの内側に位置するカッププレート（２ａ）の側面（１０）の下端面（１０ａ）が着座されている熱交換器。

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