WO2015122545A1

WO2015122545A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2015122545A1
Application number: PCT/JP2015/054510
Authority: WO
Inventors: 大久保　厚; 卓也文後; 坂井　耐事
Original assignee: 株式会社ティラド
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2015-08-20
Also published as: CN106030235A; KR20160121511A; JP5953323B2; EP3106819B1; RU2016129730A; EP3106819A4; US20160370127A1; KR102252235B1; US10274262B2; EP3106819A1; JP2015152252A

Abstract

高温の被冷却体が流通する熱交換器におけるサイドメンバーの熱応力に対する変形を防止する。サイドメンバー５は、その本体部５ａの長手方向の全長に渡り、横断面が側壁部５ｄと底部５ｃを有する溝形に形成され、その長手方向両端部にコア３の外側に向かって段付き状に形成される段付き部５ｂと、段付き部５ｂの先端と付根部とを斜めに一体的に連結する１以上の筋交い状のリブ９が設けられたものである。

Description

熱交換器

　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による変形を防止する熱交換器に関する。

　エンジン冷却水を冷却する熱交換器は、図７に示す如く、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の両端を一対のチューブプレート４に挿通してコア３を形成し、各チューブプレート４に図示しないタンク本体を配置するとともに、コア３の両側にサイドメンバー５を配置したものである。
　このサイドメンバー５は、その長手方向の中間部は側壁を有し、横断面コ字状に形成されているが、その両端部は側壁を有していない構造となっている。
　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側に送風を行い高温冷却水との間で熱交換を行うものである。
　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及びコルゲートフィン２は、偏平チューブ１の長手方向に伸長するとともに、それに直交する方向にも膨張する。一方、サイドメンバー５はコア３の両側に存在し、温度変化もほとんどないため、その状態を維持しようとする。

　しかし、図７のような熱交換器の場合、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４との付根部、特に、最外側に位置する偏平チューブとチューブプレート４との付根部に応力が集中し、その部分に亀裂が生じる。また、偏平チューブ１が膨張すると、それにともないサイドメンバー５が変形し、熱交換器全体の強度が損なわれる問題が生じていた。
　そこで、本発明は熱交換器に用いられるサイドメンバー５の熱応力耐性（剛性、伸び性等）を向上させることを課題とする。

　請求項１に記載の発明は、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てコア（３）を構成し、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（４）に挿通固定されると共に、コア（３）の両側にサイドメンバー（５）が配置され、そのサイドメンバー（５）の長手方向の両端がチューブプレート（４）の長手方向の両方の側壁（６）に一体に固定された熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、その本体部（５ａ）の長手方向の全長に渡って横断面が側壁部（５ｄ）と底部（５ｃ）を有する溝形に曲折形成され、前記サイドメンバー（５）の長手方向両端部に位置し、前記底部（５ｃ）の幅方向の中間部分で外側に向けて１以上のリブ（９）が一体に突設形成されていることを特徴とする熱交換器である。
　請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、前記コア（３）の長さに略等しい本体部（５ａ）と、その長手方向の先端部が前記コア（３）の外側に向けて突出する段付き状に形成された段付き部（５ｂ）とを有し、その段付き部（５ｂ）の先端部が一対の前記チューブプレート（４）の前記側壁（６）に一体に固定され、
　そのサイドメンバー（５）の前記段付き部（５ｂ）には、その底部（５ｃ）の幅方向の中間部分に、本体部（５ａ）と段付き部（５ｂ）の先端部との間が斜めに連結される１以上の筋交い状のリブ（９）が、コア（３）の外側に向けて一体に突設形成されたことを特徴とする熱交換器である。
　請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）の段付き部（５ｂ）は、前記筋交い状のリブ（９）を設けた部分以外の段面が水平に形成される水平段面（５ｅ）を有し、その水平段面（５ｅ）に一対の前記チューブプレート（４）の底部（４ａ）の外面が着座され、
　前記サイドメンバー（５）の筋交い状のリブ（９）の先端（８）が、少なくともチューブプレート（４）の前記底部（４ａ）の外面の位置まで達するように構成されたことを特徴とする熱交換器である。
　請求項４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てコア（３）を構成し、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（４）に挿通固定されると共に、コア（３）の両側にサイドメンバー（５）が配置され、そのサイドメンバー（５）の長手方向の両端がチューブプレート（４）の長手方向の両方の側壁（６）に一体に固定された熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、その本体部（５ａ）の長手方向の全長に渡って横断面が側壁部（５ｄ）と底部（５ｃ）を有する溝形に曲折形成されていることを特徴とする熱交換器である。
　請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、前記コア（３）の長さに略等しい本体部（５ａ）と、その長手方向の先端部が前記コア（３）の外側に向けて突出する段付き状に形成された段付き部（５ｂ）とを有し、その段付き部（５ｂ）の先端部が一対の前記チューブプレート（４）の前記側壁（６）に一体に固定されたことを特徴とする熱交換器である。
　請求項６に記載の本発明は、請求項１~請求項５のいずれかに記載の熱交換器において、
　前記チューブプレート（４）からサイドメンバー（５）の長手方向に充分離間した位置で、その溝形のサイドメンバー（５）の本体部（５ａ）の底部（５ｃ）が欠切された底無し部（１０）を有すると共に、その底無し部（１０）の位置で、その両側壁部（５ｄ）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（１１）を形成したことを特徴とする熱交換器である。

　請求項１に記載の発明は、サイドメンバー５が、その長手方向の全長に渡って横断面が溝形に一体に曲折形成され、その長手方向両端部の位置で、前記底部５ｃの幅方向の中間部分で外側に向けて１以上のリブ９が一体に形成されたので、サイドメンバー５の両端部の剛性が強化され、熱交換器の稼働中にそのコアが平面方向両側に膨出する応力が加わっても、サイドメンバー５に隣接する偏平チューブの根元の亀裂を確実に阻止し、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
　請求項２に記載の発明は、サイドメンバー５の本体部５ａと段付き部５ｂの先端部との間を１以上の筋交い状のリブ９で斜めに連結するように構成したものである。そのため、サイドメンバーの段付き部５ｂの筋交い状のリブ９により、サイドメンバーに加わる応力をさらに効果的に支持することができ、サイドメンバーの変形を防止することができる。それにより、その段付き部５ｂに隣接する偏平チューブ１の付根の歪みや亀裂の発生を防ぎ、熱交換器の信頼性を向上する。
　請求項３に記載の発明は、上記構成において、サイドメンバー５の段付き部５ｂが水平段面５ｅとなるようにし、そのその水平段面５ｅにチューブプレート４の底部４ａの外面がに着座されので、より効果的に応力を支持することができ、サイドメンバーの段付き部５ｂの変形を防止することができる。
　また、請求項４、５に記載の発明は、上記請求項１又は請求項２のリブ９の構成を除外したものである。このようなサイドメンバー５においても、サイドメンバー５に隣接する偏平チューブの根元の亀裂を確実に阻止し、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
　請求項６に記載の発明は、チューブプレート４からサイドメンバー５の長手方向に充分離間した位置で、その溝形のサイドメンバー５の本体部５ａの底部５ｃが欠切された底無し部１０を有すると共に、その底無し部１０の位置で、その両側壁部５ｄ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１１を形成しているので、サイドメンバー５の伸長方向にかかる応力に対しても、効果的にその応力を吸収することができる。

　図１は本発明の第１実施例の熱交換器のサイドメンバー５の要部斜視図。
　図２は同サイドメンバー５の要部縦断面図。
　図３は本発明の他の例の熱交換器のサイドメンバー５の要部斜視図（Ａ）及びその要部縦断面図（Ｂ）。
　図４は本発明のさらに他の例の熱交換器のサイドメンバー５の要部斜視図（Ａ）及びその要部縦断面図（Ｂ）。
　図５は本発明の第２実施例の熱交換器のサイドメンバー５であって、そのサイドメンバー５に応力吸収部１１を設けたことを示す要部斜視図。
　図６は本発明の第３実施例の熱交換器のサイドメンバー５の要部縦断面図（Ａ）及びその要部横断面図（Ｂ）。
　図７は従来型熱交換器の要部縦断面図。

　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。
　図１~図２は本発明の第１実施例を示すものである。

　本発明の熱交換器は、コルゲートフィン２と偏平チューブ１とでコア３を形成し、その各偏平チューブ１の両端がチューブプレート４のチューブ挿通孔に挿通され、そのコアの両端にサイドメンバー５が配置されたものである。そして、本発明はそのサイドメンバー５とコア３、チューブプレート４との接合部に特徴を有する。
　この例では、図１に示す如く、サイドメンバー５は、その溝底５ｃの長手方向の全長に渡って一対の側壁５ｄが曲折形成され、その横断面が溝形に形成されている。
　その長手方向両端部には、先端部がコア３の外側に突出する段付き状に形成された段付き部５ｂが設けられるとともに、その段付き部５ｂの幅方向中央に筋交い状のリブ９がコア３の外側に向け一体的に突設されている。この段付き部５ｂの位置は、後述するチューブプレート４と偏平チューブ１との付根部近傍に相当する位置に形成される。
　そのリブ９は、サイドメンバー５の幅方向中央部分に細長く形成されており、段付き部５ｂの根元７（この例では、サイドメンバー５の本体部５ａの底部５ｃ）と、その先端８部分との間を斜めに筋交い状に連結する。段付き部５ｂは、筋交い状のリブ９が設けられている部分を除き、その段面５ｅが水平に形成されている。
　次に、チューブプレート４は、その周縁が立ち上げられた環状の側壁６を有する皿状に形成されており、その底部４ａには偏平チューブ１を挿通する挿通孔が多数並列して穿設されている。その底部４ａの周縁部には、シール材が配される環状溝が設けられている。
　この例では、図２の如く、チューブプレート４の側壁６の外面と、サイドメンバー５の段付き部５ｂの先端部とが接合され、その段付き部５ｂの段面５ｅとチューブプレート４の底部４ａの外面とが接合されている。それにより、サイドメンバー５の剛性が高まり、その部分にかかる応力を十分に支持することができる。
　また、図１、図２の例では、サイドメンバー５に設けられた筋交い状のリブ９の一方の端部は段付き部の根元７に位置し、他方の端部はチューブプレート４の底部４ａの外面の位置まで達している。そのため、サイドメンバー５の段付き部５ｂの幅方向の中間部は、リブ９を形成するため段面５ｅが存在しない。
　このようなサイドメンバー５を有する熱交換器は、図１に示すごとく、内部に被冷却体が流通する偏平チューブ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４に貫通してコア３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）している。これらの各部品はアルミニウム材（アルミニウム合金を含む）からなり、それらの部品間は、高温の炉内で一体にろう付けにより固定される。
　そして、このチューブプレート４に、図示しない被冷却体の出入り口パイプを設けた樹脂製タンクがシール材を介して被嵌され、熱交換器が完成される。
　なお、タンクは樹脂製でなくてもよく、アルミニウム材で製作してもよい。この場合、タンクとチューブプレート４は、ろう付けや溶接により、一体的に取り付けられる。
　作用
　図１、図２の実施例において、熱交換器の内部に高温の被冷却体が流通すると、そのコア３の最外側に位置する偏平チューブとチューブプレート４との付根部に応力が集中する。
　このサイドメンバー５は、その長手方向両端部に段付き部５ｂが形成されるとともに、一対の側壁５ｄがその段付き部５ｂを含んで長手方向全長に渡り曲折形成されている。さらに、その段付き部５ｂに筋交い状のリブ９を設けているため、熱交換器の該部分に応力が集中したとしても、その応力を十分に支持し得る強度をもつことができ、偏平チューブに亀裂や歪みを生じず、被冷却体が漏れるおそれがない。
　この例では、筋交い状のリブ９が１つのみ設けられているが、このリブ９は複数設けることも可能である。
　サイドメンバー５のリブ９の形状に関する他の例
　図３及び図４は、サイドメンバー５に設けられるリブ９の形状を変形させたものである。その作用効果は、第１実施例のリブ９と同一のものとなる。
　図３の例は、この筋交い状のリブ９は、サイドメンバー５の幅方向中央部分に幅広に形成されており、段付き部５ｂの根元７（この例では、サイドメンバー５の本体部５ａの底部５ｃ）からチューブプレート４の側壁６との間を斜めに筋交い状に連結する。このように筋交い状のリブ９が幅広く、且つ長く形成されていると、その部分の強度が高まり、応力に対する支持力が増すことになる。
　図４は、さらに他の例であり、これが図１の第１実施例と異なる点は、筋交い状のリブ９を通常のリブ９に変更し、そのリブ９を並列して２条設けた点のみである。
　第１実施例および他の例で紹介したサイドメンバー５のリブ９の形状、数は、その例を示したものであり、本願の請求の範囲から導き出される作用効果を逸脱するものでなければ、その設計を変更しうるものである。

　図５は、本発明のさらに他の実施例であり、一例として、リブ９を有するサイドメンバー５に伸縮方向にかかる応力を吸収する応力吸収部１１を設けた例である。
　このサイドメンバー５は、上記図４のリブ９の構造を有するとともに、チューブプレート４から十分離間した位置に底部５ｃがＨ型に欠切された底無し部１０を有する。また、その底無し部１０の位置で側壁部５ｄが波形に湾曲されて、応力吸収部１１を形成する。この応力吸収部１１は、熱交換器の稼動に伴い、コア３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。そして、この底無し部１０および応力吸収部１１は、上下一対のチューブプレート４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。
　次に、応力吸収部１１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５ｃ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１０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５ｄ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１０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、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５ｄ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。
　作用
　上記の例で、熱交換器の内部に高温の被冷却体が流通すると、コア３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１１により吸収される。次に、コア３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１１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４との付根には、段付き部５ｂ、リブ９、そして、それらを含めてサイドメンバー５の全長に渡って側壁５ｄ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３の最側端に位置する偏平チューブ１の付根の変形および、それに伴う偏平チューブの付根の亀裂を防止できる。

　図６は本発明のさらに他の実施例であり、この例のサイドメンバー５は、段付き部５ｂを有せず、その本体部５ａの長手方向の全長に渡って横断面が溝形に曲折形成され、その長手方向両端部で、コア３の外側に向けてリブ９が凸条に突設形成されている。
　なお、第１実施例において、サイドメンバー５の段付き部５ｂの段面５ｅとチューブプレート４の底部４ａの外面とが接合された例を示したが、この間に隙間を設け、段面５ｅと底部４ａを接合しない構造であっても良い。

　１　　偏平チューブ
　２　　コルゲートフィン
　３　　コア
　４　　チューブプレート
　４ａ　底部
　５　　サイドメンバー
　５ａ　本体部
　５ｂ　段付き部
　５ｃ　底部
　５ｄ　側壁
　５ｅ　段面
　６　　側壁
　７　　根元
　８　　先端
　９　　リブ
　１０　底無し部
　１１　応力吸収部

Claims

　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てコア（３）を構成し、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（４）に挿通固定されると共に、コア（３）の両側にサイドメンバー（５）が配置され、そのサイドメンバー（５）の長手方向の両端がチューブプレート（４）の長手方向の両方の側壁（６）に一体に固定された熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、その本体部（５ａ）の長手方向の全長に渡って横断面が側壁部（５ｄ）と底部（５ｃ）を有する溝形に曲折形成され、前記サイドメンバー（５）の長手方向両端部に位置し、前記底部（５ｃ）の幅方向の中間部分で外側に向けて１以上のリブ（９）が一体に突設形成されていることを特徴とする熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、前記コア（３）の長さに略等しい本体部（５ａ）と、その長手方向の先端部が前記コア（３）の外側に向けて突出する段付き状に形成された段付き部（５ｂ）とを有し、その段付き部（５ｂ）の先端部が一対の前記チューブプレート（４）の前記側壁（６）に一体に固定され、
　そのサイドメンバー（５）の前記段付き部（５ｂ）には、その底部（５ｃ）の幅方向の中間部分に、本体部（５ａ）と段付き部（５ｂ）の先端部との間が斜めに連結される１以上の筋交い状のリブ（９）が、コア（３）の外側に向けて一体に突設形成されたことを特徴とする熱交換器。
　請求項２に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）の段付き部（５ｂ）は、筋交い状の前記リブ（９）を設けた部分以外の段面が水平に形成される水平段面（５ｅ）を有し、その水平段面（５ｅ）に一対の前記チューブプレート（４）の底部（４ａ）の外面が着座され、
　前記サイドメンバー（５）の前記筋交い状のリブ（９）の先端（８）が、少なくともチューブプレート（４）の前記底部（４ａ）の外面の位置まで達するように構成されたことを特徴とする熱交換器。
　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てコア（３）を構成し、各偏平チューブ（１）の両端が一対のチューブプレート（４）に挿通固定されると共に、コア（３）の両側にサイドメンバー（５）が配置され、そのサイドメンバー（５）の長手方向の両端がチューブプレート（４）の長手方向の両方の側壁（６）に一体に固定された熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、その本体部（５ａ）の長手方向の全長に渡って横断面が側壁部（５ｄ）と底部（５ｃ）を有する溝形に曲折形成されていることを特徴とする熱交換器。
　請求項４に記載の熱交換器において、
　前記サイドメンバー（５）は、前記コア（３）の長さに略等しい本体部（５ａ）と、その長手方向の先端部が前記コア（３）の外側に向けて突出する段付き状に形成された段付き部（５ｂ）とを有し、その段付き部（５ｂ）の先端部が一対の前記チューブプレート（４）の前記側壁（６）に一体に固定されたことを特徴とする熱交換器。
　請求項１~請求項５のいずれかに記載の熱交換器において、
　前記チューブプレート（４）からサイドメンバー（５）の長手方向に充分離間した位置で、その溝形のサイドメンバー（５）の本体部（５ａ）の底部（５ｃ）が欠切された底無し部（１０）を有すると共に、その底無し部（１０）の位置で、その両側壁部（５ｄ）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（１１）を形成したことを特徴とする熱交換器。