WO2020027008A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

高温ガスを冷却する熱交換器の偏平チューブ１及びケース３に生じる熱応力を可及的に吸収して、耐久性の高い熱交換器を提供すること。　偏平チューブ１を厚み方向に積層して、熱交換器コア２を構成し、熱交換器コア２の外周にケース３を被嵌する。そのケース３は長辺部３ａと短辺部３ｂとで矩形に形成され、ケース３の開口端部の短辺部３ｂに、その開口の縁に平行に熱膨張吸収用のビード４を曲折形成する。

Description

熱交換器

　本発明は、主として高温ガスを冷却水によって冷却する熱交換器であって、その高温ガスの入口近傍に生じる熱応力を減少させるものに関する。

　下記特許文献１に記載の熱交換器は、内部に高温ガスが流通する多数の管と、その管の端部が挿通される管底（ヘッダプレート）を有するハウジングを有し、熱膨張差に起因する熱応力を低減させるために、そのハウジングに膨張要素としてその周方向に複数の条溝を形成し、それを密封する密封手段を設けたものである。

特許第４００６７３４号公報

　しかしながら、矩形断面を有するハウジングにおいては、矩形角部への条溝の形成は困難であり、また、条溝部の剛性は低下するので、周方向に渡って条溝を設けた場合、耐振強度が低下する欠点があった。
　そこで、本発明は矩形断面を有するハウジングにおいても製作性および耐振強度を低下させることなく熱膨張差に起因する熱応力を低下させ、ヒートサイクルに対する耐久性を高めた熱交換器を提供することを課題とする。

　請求項１に記載の本発明は、複数の偏平チューブ１が、その厚み方向に並列された熱交換器コア２と、
　その熱交換器コア２の外周を被嵌し、横断面が長辺部３ａと短辺部３ｂとで矩形に形成されると共に、その短辺部３ｂが各偏平チューブ１の並列方向に位置するケース３と、
　そのケース３の開口端部の短辺部３ｂに、その開口の縁に平行に曲折形成された熱膨張吸収用のビード４と、
　ケース３の開口端に接合されるタンク５と、を具備する熱交換器である。
　請求項２に記載の本発明の前記偏平チューブ１は、その長手方向の両端部が前記厚み方向に膨出された膨出部１ａを有し、その膨出部１ａで複数の偏平チューブ１が積層されて前記熱交換器コア２を構成した請求項１に記載の熱交換器である。
　請求項３に記載の本発明は、ケース３の内面に環状のインナーフランジ６が接続され、そのインナーフランジ６とケース３との間に環状溝７が形成され、その環状溝７にシール材８を介して前記タンク５の開口縁が接合される請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器である。

　請求項１に記載の発明は、ケース３の開口端部の短辺部３ｂに、熱膨張吸収用のビード４が形成され、各偏平チューブ１がケース３の短辺方向で、偏平チューブ１の厚み方向に並列されたものである。各偏平チューブ１は、その横断面の長手方向により大きく熱膨張するが、その膨張の大きい方向に配置されたビード４に、その熱膨張が効果的に吸収される。また、ケース３の角部にはビード４を設けていないので、ビードの成形は容易となる。
　さらに、ビード４はケース３の周方向の全周に渡ってはいないので、ビード４の形成に伴うケース３の剛性の低下は少なく、耐振強度の低下は抑制される。
　それにより製作性、耐振強度を低下させることなく、ヒートサイクルに対する耐久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、その熱交換器コア２を構成する偏平チューブ１の長手方向の両端部が厚み方向に膨出され、その膨出部１ａで複数の偏平チューブ１が厚み方向に且つ、ケース３の短辺部３ｂの方向に積層されたものである。
　このような熱交換器においては、偏平チューブ１とケース３との間に熱膨張差の緩衝部となるヘッダプレートが存在しないが、本発明におけるビード４により、熱膨張差が効果的に吸収される。それにより、このようなヘッダプレートレス型熱交換器においても、ヒートサイクルに対する耐久性の高い熱交換器を提供できる。
　請求項３に記載の発明は、ケース３の内面のインナーフランジ６と、ケース３との間に環状溝７が形成され、それにシール材８を介してタンク５の開口縁が接合されたものである。
　このようなインナーフランジ型熱交換器においては、フランジ部がケース外部に曲折形成されているアウターフランジ方式に比べて、フランジ部の剛性が高く、フランジ部の弾性変形によって吸収される熱膨張差は少ない。また、本発明におけるビード４により、熱膨張差が効果的に吸収される。それにより、このようなインナーフランジ型熱交換器においても、ヒートサイクルに対する耐久性の高い熱交換器を提供できる。

　図１は本発明の熱交換器の分解斜視図。
　図２は同熱交換器の熱交換器コア２の要部縦断面斜視図。
　図３は同熱交換器のビード４とタンク５との接合状態を示す縦断面図。
　図４は同熱交換器のケース３の短辺部３ｂに設けたビード４の斜視図。
　図５は同熱交換器の熱交換器コア２の斜視図。

　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。
　この熱交換器は、主として高温ガスを冷却水によって冷却するチャージエアクーラに最適なものである。その熱交換器コア２は、図５に示す如く、多数の偏平チューブ１をその両端部で積層したものである（下側を省略）。
　各偏平チューブ１は、両端に膨出部１ａが厚み方向に突出している。そして、その膨出部１ａにおいて、各偏平チューブ１どうしがろう付により接合される。偏平チューブ１の内部には、インナーフィン９を挿入することが好ましい。
　そして、図１、図５に示す如く、偏平チューブ１内の第１流路１０に第１流体１３である高温ガスが導かれ、偏平チューブ１の外面側の第２流路１１に第２流体１４である冷却水（図１）が導かれる。偏平チューブ１の集合体からなる熱交換器コア２の端部には、図５において、その両端にインナーフランジ６が被嵌され（一方端のみ記載）、そして、その外側にケース３が被嵌される。
　即ち、熱交換器コア２の外周は、インナーフランジ６を介して、図１に図示するケース３が被嵌される。この例では、ケース３は横断面が方形の長辺部３ａと短辺部３ｂとで形成され、その短辺部３ｂ方向に多数の偏平チューブ１が並列される。
　また、短辺部３ｂには、一対のパイプ１２が取付けられ、その一方から第２流体（冷却水）１４が流入し、他方からそれが流出する。第２流体（冷却水）１４は、図５において各偏平チューブ１の外周に形成された第２流路１１に導かれる。
　前述の如く、熱交換器コア２の端部にはインナーフランジ６が被嵌される。そのインナーフランジ６は図４、図５に示す如く、ケース３の内周に整合するスカート部とそれからＬ字状に立ち上げられたＬ字状部とを有し、そのＬ字状部とケース３との間に環状溝７が形成される。その環状溝７には、図３に示す如く、シール材８を介してタンク５の開口端が圧入され、爪部１６のカシメによってそれらの間が締結固定される。
　ここにおいて本発明の特徴とするところは、ケース３の端部に設けたビード４の存在である。このビード４は、図１に示す如く、ケース３の開口端部の短辺部３ｂの高温ガスの流入口側の開口の縁に平行に曲折形成されている。
　そして、図１において、タンク５から熱交換器コア２の偏平チューブ１に第１流体（高温ガス）１３が供給される。すると、偏平チューブ１はその開口の長手方向により長く膨張する。その膨張は、図４において、ケース３の短辺部３ｂを外側に押し広げると共に、上下方向にも引き延ばされる。そのような熱膨張は、ケース３の短辺部３ｂの端部に設けたビード４によって効果的に吸収される。
　上記実施形態は、タンク５とケース３とが、インナーフランジ６に配置したシール材８を介して、爪部１６によりカシメ固定されている熱交換器である。
　タンク５とケース３とは、インナーフランジ６及びシール材を介さずに、直接、ろう付又は溶接により接合することもできる。
　この実施形態では、コア形状として、各偏平チューブ１は、その両端部が厚み方向に膨出された膨出部１ａを有し、膨出部１ａで複数の偏平チューブ１が積層されたヘッダプレートレス型のコアを用いたものである。各偏平チューブ１は、図１~図５に示す如く、その各開口端がチューブ長辺１ｂとチューブ短辺１ｃとで横断面方形に形成されている。
　各偏平チューブ１は、次のような構造にすることができる。
　そのチューブ短辺１ｃの端縁は、チューブ長辺１ｂの平坦部１ｅよりも突出する。
　チューブ長辺１ｂの端は、チューブ短辺１ｃ側に角状に突出した角部１ｄが形成されている。チューブ長辺１ｂの膨出部１ａの中間部には、その角部１ｄより第１流体（高温ガス）１３の流通方向の下流側に配置された平坦部１ｅが形成されている。そして、角部１ｄと平坦部１ｅとの間は、湾曲部１ｆにより滑らかに湾曲して接続されている。
　このような構造にするにより、ビード４の効果と相乗して、各偏平チューブ１のチューブ短辺１ｃに加わる熱応力の集中を回避することができる。
　コア形状は、インナーフランジ６に多数の偏平チューブ挿通孔を並列して形成し、そこに偏平チューブを挿通した形状のコアであっても良い。

　１　偏平チューブ
　１ａ　膨出部
　１ｂ　チューブ長辺
　１ｃ　チューブ短辺
　１ｄ　角部
　１ｅ　平坦部
　１ｆ　湾曲部
　２　熱交換器コア
　３　ケース
　３ａ　長辺部
　３ｂ　短辺部
　４　ビード
　５　タンク
　６　インナーフランジ
　７　環状溝
　８　シール材
　９　インナーフィン
　１０　第１流路
　１１　第２流路
　１２　パイプ
　１３　第１流体（高温ガス）
　１４　第２流体（冷却水）
　１５　入口
　１６　爪部

Claims (3)

1. 　複数の偏平チューブ（１）が、その厚み方向に並列された熱交換器コア（２）と、
   　その熱交換器コア（２）の外周を被嵌し、横断面が長辺部（３ａ）と短辺部（３ｂ）とで矩形に形成されると共に、その短辺部（３ｂ）が各偏平チューブ（１）の並列方向に位置するケース（３）と、
   　そのケース（３）の開口端部の短辺部（３ｂ）に、その開口の縁に平行に曲折形成された熱膨張吸収用のビード（４）と、
   　ケース（３）の開口端に接合されるタンク（５）と、を具備する熱交換器。
2. 　前記偏平チューブ（１）は、その長手方向の両端部が前記厚み方向に膨出された膨出部（１ａ）を有し、その膨出部（１ａ）で複数の偏平チューブ（１）が積層されて前記熱交換器コア（２）を構成した請求項１に記載の熱交換器。
3. 　ケース（３）の内面に環状のインナーフランジ（６）が接続され、そのインナーフランジ（６）とケース（３）との間に環状溝（７）が形成され、その環状溝（７）にシール材（８）を介して前記タンク（５）の開口縁が接合される請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器。

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