WO2021054484A1

WO2021054484A1 - 熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造

Info

Publication number: WO2021054484A1
Application number: PCT/JP2020/037043
Authority: WO
Inventors: 小室　朗; 坂井　耐事; 大久保　厚
Original assignee: 株式会社ティラド
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-03-25
Also published as: JPWO2021054484A1; US20220333873A1

Abstract

熱交換器のヘッダプレートと偏平チューブとの接合部に生じる熱応力を低減し緩和すること。　偏平チューブ３の内部の中心を通る垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、端部ろう付部８の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置するようにする。これにより、偏平チューブ３の短辺部とヘッダプレートとの接合部に集中する熱応力を各部に分散させる。

Description

熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造

　本発明は、熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付接合部の構造に関する。

　ヘッダプレートを有する熱交換器では、その使用に伴う冷熱サイクルにより、偏平チューブの短辺部とヘッダプレートとの接合部に熱応力が集中し、それに起因して、当該接合部近傍の偏平チューブに亀裂が生じることがある。
　下記特許文献１に記載の熱交換器は、このような熱応力の集中を緩和するものとして提案されており、ヘッダプレートの横断面をヘッダタンクから離れる方向に凸となる台形状に形成したものである。

特許第３９７４６０号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の熱交換器においては、偏平チューブの長辺の中央部とヘッダプレートとの接合部における熱応力が高くなる傾向がある。
　そこで、本発明は上述の傾向をも抑制し、偏平チューブとヘッダプレートとの接合部に生じる熱応力を緩和することを目的とする。

　請求項１に記載の本発明は、対向する一対の平面部１および両平面部１間を連結する一対の連結部２を有する偏平チューブ３と、
　各偏平チューブ３の端部を挿通する多数の挿通孔４が長手方向に離間して、互いに平行に配置されたヘッダプレート５と、を具備し、
　前記挿通孔４と前記偏平チューブ３の外面との間がろう付される熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　前記偏平チューブ３は、その内部の中心を通る垂直中心軸６と、その垂直中心軸６に直交して、偏平チューブ３の偏平面に平行な水平中心軸７と、を有し、
　前記偏平チューブ３のうち、少なくとも１つは、その水平中心軸７方向で、その両端部の位置の端部ろう付部８と、その端部ろう付部８に隣接する第１ろう付部１０とを有し、
　前記垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、端部ろう付部８の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造である。
　請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　各偏平チューブ３の並列方向の最も外側の偏平チューブにおける、前記第１ろう付部１０の位置が前記端部ろう付部８の位置より偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造である。
　請求項３に記載の発明明は、請求項１に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　各偏平チューブ３は第２ろう付部９を有し、
　前記垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、第２ろう付部９の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造である。
　請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　前記偏平チューブ３は、前記平面部の内面同士を接続する柱状部１４を有し、
　前記柱状部１４のうち少なくとも一つは、前記第２ろう付部９に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造である。

　請求項１に記載の発明は、偏平チューブ３の内部の中心を通る垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、端部ろう付部８の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置するように形成されたものである。
　このように形成されたことにより、第１ろう付部１０が主に熱応力を担うようになり、端部ろう付部８の熱応力が低減される。
　請求項２に記載の発明は、偏平チューブの並列方向の最も外側の偏平チューブにおいて、前記第１ろう付部１０の位置が、前記端部ろう付部８の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置するように形成されたものである。
　これにより、他の部分の偏平チューブと比べて熱応力が集中する傾向のある、偏平チューブ積層方向の最も外側の偏平チューブとヘッダプレートとのろう付部における熱応力が低減され緩和される。
　請求項３に記載の発明は、各偏平チューブ３は第２ろう付部９を有し、
　前記垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、第２ろう付部９の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置するように形成されたものである。
　これにより、熱応力が集中する傾向にある偏平チューブの長辺の中央部とヘッダプレートとのろう付ラインにおいて、熱応力が低減される。
　請求項４に記載の発明の偏平チューブ３は、前記平面部の内面同士を接続する柱状部１４を有し、柱状部１４のうち少なくとも一つは、前記第２ろう付部９に位置するものである。
　これにより、熱応力が集中する傾向のある柱状部１４近傍の偏平チューブとヘッダプレートのろう付部における熱応力が緩和される。

　図１は本発明の第１の実施形態のヘッダプレートと偏平チューブとのろう付構造を示す要部斜視図。
　図２は図１のヘッダプレート５の幅方向に沿った各部の断面図及び斜視図。
　図３は図１のヘッダプレート５の長手方向に沿った各部の断面図。
　図４は第１の実施形態における作用を示す説明図。
　図５は従来型熱交換器のろう付構造における応力集中の状態を示す説明図。
　図６は本発明の第２の実施形態のヘッダプレートと偏平チューブとのろう付構造を示す斜視図、及び図７（Ａ）における偏平チューブ３の平面図。
　図７は図６（Ａ）におけるヘッダプレート５の幅方向に沿った各部の断面図及び斜視図。
　図８は図６（Ａ）におけるヘッダプレート５の長手方向に沿った各部の断面図。
　図９は本発明の第３の実施形態を示す要部断面図。
　図１０は本発明の第４の実施形態を示す要部断面図。
　図１１は本発明の第５の実施形態を示す要部断面図。
　図１２は本発明の第６の実施形態を示す要部断面図。
　図１３は本発明の第７の実施形態を示す要部断面図。
　図１４は本発明の第８の実施形態を示す要部断面図。
　図１５は本発明の第９の実施形態を示す要部断面図。
　図１６は本発明の第１０の実施形態を示す要部断面図。

　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３は本発明の第１の実施の形態を示す説明図である。
　図１は、そのヘッダプレートと偏平チューブとのろう付構造を示す要部斜視図である。図２は、図１のヘッダプレート５の幅方向に沿った各部の断面図及び斜視図であって、（Ａ）は図１のＩＩＡ−ＩＩＡ矢視断面図、（Ｂ）はＩＩＢ−ＩＩＢ矢視断面図、（Ｃ）は同ろう付部をヘッダプレート５の下面側から見た斜視図である。図３は、図１のヘッダプレート５の長手方向に沿った各部の断面図であって、（Ａ）は図１のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ矢視断面図、（Ｂ）は図１のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ矢視断面図、（Ｃ）は図１のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ矢視断面図である。
　この熱交換器は、並列された多数の偏平チューブ３を有しており、それらの各偏平チューブ３の両端部が一対のヘッダプレート５の長手方向に沿って多数並列された挿通孔４に挿通され、その挿通部がろう付固定されている。挿通孔４は、その水平中心軸７がヘッダプレート５の幅方向に沿って配置されている。
　その偏平チューブ３は、対向する一対の平面部１と、その平面部１間を連結する一対の連結部２とを有する。一例として、この連結部２は図１に記載のように断面を円弧状に形成することができる。その偏平チューブ３は、図２（Ｃ）に示す如く、内部の中心を通る垂直中心軸６と、それに直交する水平中心軸７とを有する。
　一例として、図１に示すように、各偏平チューブ３の間にはコルゲート状に形成されたフィン１６を配置することができる。
　ヘッダプレート５は、外周に環状溝１５が形成され、その外周縁は、図示しないタンクの小フランジ側に向けて側壁１７が立ち上げられている。その環状溝１５の内側には、多数の挿通孔４が幅方向に穿設され、各挿通孔４がヘッダプレート５の長手方向に離間して並列している。
　一例として、この環状溝１５には、図示しないシールリングを介して、タンクの開口部が嵌着され、側壁の端縁に形成される図示しないカシメ爪により、タンクの小フランジの縁にカシメ固定される。
　ヘッダプレート５の環状溝１５の内側には、図２に記載の如く、横断面が波形の面に形成されている。その波形の面には、ヘッダプレート５の挿通孔４が形成されており、その周囲にはバーリング加工により、タンクの内面側に向けて突出するバーリングが形成されている。そのバーリングの高さは、ヘッダプレート５の面の波形の高さに対応している。
　偏平チューブ３とヘッダプレート５とのろう付部は、波形の面の構造に対応して、中心部に位置する第２ろう付部９と、その両側に配置された第１ろう付部１０と、偏平チューブ３の両端部に配置された端部ろう付部８を有する。そして、各ろう付部８、９、１０とが連続して、ろう付接合ラインを形成する。
　ここで、偏平チューブ３の開口縁３ａを基準として、それから第１ろう付部１０までの長さをＭ１とし、端部ろう付部８までの長さをＭ２とし、第２ろう付部９までの長さＭ３とする。
　この実施形態では、図２、図３に示す如く、第１ろう付部１０までの長さＭ１が端部ろう付部８までの長さＭ２より長くなるように形成され、且つ、第２ろう付部９までの長さＭ３は第１ろう付部１０までの長さＭ１より短くなるように形成されている。
　そして、その結果、偏平チューブ３の内部の中心を通る垂直中心軸６方向において、第１ろう付部１０の位置が、端部ろう付部８の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置し、且つ、第１ろう付部１０の位置が、第２ろう付部９の位置よりも、偏平チューブ３の垂直中心軸６方向の中央側に位置している。
　図１~図３に示すように、この例では、端部ろう付部８までの長さＭ２と第２ろう付部９までの長さＭ３は、ほぼ等しくなるよう形成されている。しかし、端部ろう付部８までの長さＭ２と第２ろう付部９までの長さＭ３の関係は、これに限定されることはない。
　すなわち、前記垂直中心軸６方向における、端部ろう付部８の位置と第２ろう付部の位置との関係は、これに限定されることはない。
　そして、多数の並列した偏平チューブ３における各ろう付接合ラインは、同一に形成されている。つまり、各偏平チューブのヘッダプレート５の挿通部４からの突出長さは、ほぼ同一である。
　作用・効果
　次に、図４、図５に基づいて、本実施形態の作用・効果について説明する。
　図４（Ａ）はヘッダプレート５を下面側から見た斜視図であり、同図（Ｂ）はその位置における応力集中の状態を示す応力コンタ図である。これに対比される図５（Ａ）は、従来型熱交換器のヘッダプレート５を下面側から見た斜視図であり、同図（Ｂ）はその位置における応力集中の状態を示す応力コンタ図である。
　本発明者は、ヘッダプレート５と偏平チューブと３の応力集中部の位置Ｂについて、本願の第１の実施形態の波形のろう付接合ライン（図４（Ａ）参照）と従来型熱交換器の直線状のろう付接合ライン（図５（Ａ）参照）とで、応力集中の状態を比較した。
　図５（Ａ）に示す、従来型熱交換器の直線状のろう付接合ラインの場合には、図５（Ｂ）のように、偏平チューブ３の連結部２とヘッダプレート５との付根（同図の端部ろう付部８ａの位置）において、最も熱応力が高い領域Ｔ１が、その付根を取り巻く帯状に生じ、その領域Ｔ１を囲むように、その外側にそれに次ぐ熱応力の領域Ｔ２が生じ、その外側に順次、熱応力の低くなる領域Ｔ３が生じる。
　これに対して、図４（Ａ）の本発明のろう付接合ラインの場合は、図４（Ｂ）に示されているように熱応力の集中は緩和されており、従来型熱交換器の偏平チューブ３の領域Ｔ１に生じていた高い熱応力は生じない。
　その理由は、ろう付接合ライン上の端部ろう付部８の位置を、偏平チューブ３の開口から比較的近くに位置させ、端部ろう付部８に隣接する第１ろう付部１０の位置をより遠くにし、さらに、開口の中間の第２ろう付部９の位置を比較的、開口縁に近くしたことで、端部ろう付部８に生じていた高い熱応力が、第１ろう付部１０に分散され、その分、端部ろう付部８生じる熱応力が軽減されたからである。また、同様の理由で、第２ろう付部９に生じる熱応力も軽減される。
　本発明は、このようにして偏平チューブ３に生じる熱応力の集中を緩和している。
　変形例
　第１の実施の形態では、図１に示す如く、全ての偏平チューブ３のろう付接合ラインが同一に形成されていたが、これに代えて、並列された偏平チューブ３の最外側のみ、または最外側から２本、３本または４本までの偏平チューブ３のろう付接合ラインを波形に形成しても良い。
　これにより、他の偏平チューブに比べて熱応力が高くなる傾向のある最外側の偏平チューブにおける熱応力が緩和される。

　次に、図６~図８は本発明の第２の実施の形態を示す説明図である。この例は、ヘッダプレート５の外周の環状溝１５が平面的に形成されている。
　そして、図６（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態のヘッダプレート５と、偏平チューブ３とのろう付構造を示す斜視図であり、同図（Ｂ）は図６（Ａ）における偏平チューブ３の平面図である。図７（Ａ）は図６（Ａ）のＶＩＩＡ−ＶＩＩＡ矢視断面図、同図（Ｂ）は図６（Ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ矢視断面図、同図（Ｃ）は同ろう付部をヘッダプレート５の下面側から見た斜視図である。図８（Ａ）は図６（Ａ）のＶＩＩＩＡ−ＶＩＩＩＡ矢視断面図、同図（Ｂ）は図６（Ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ矢視断面図、同図（Ｃ）は図６（Ａ）のＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ矢視断面図である。
　この例は、前述のとおり、ヘッダプレート５の周縁の環状溝相当部１５ａが、図６（Ａ）に示す如く、平坦に形成されている。
　そして、ヘッダプレート５の長手方向の両端部では、図１と同様に、ヘッダプレート５の平面が波形に曲折されるとともに、そこに穿設された挿通孔４及び、ろう付接合ラインが波形に形成されている。ろう付接合ラインは、第１の実施の形態と同様に、端部ろう付部８と第１ろう付部１０と第２ろう付部９が連続して形成されている。
　さらに、この例では各偏平チューブ３は図６（Ｂ）の如く、その垂直中心軸６の位置に柱状部１４が、水平中心軸７に直交して配置されている。
　また、この例では、偏平チューブ３は一対のプレートの巻き締め体から形成されている。
　そして、最外側の２つの偏平チューブ３を除き、ヘッダプレート５の平面には凸部１８をタンク本体側に突出させ、シールリングを凸部１８とヘッダプレート５の縁部との間に、配置している。
　この例では、図７（Ａ）に示す如く、柱状部１４が配置されたことにより、その部分の剛性が高くなり熱変形が拘束されるので、そのことは柱状部１４近傍の熱応力を高める作用を有する。
　しかしながら、偏平チューブ３の柱状部１４の位置にろう付接合ライン上の第２ろう付部９が配置されているので、第２ろう付部９に生じる熱応力が、第１ろう付部１０に分散され、その分、柱状部１４の近傍の第２ろう付部９の応力が低減され、応力集中が緩和される。

　次に、図９は本発明の第３の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例は、図１~図３の第１の実施の形態と同じく、ヘッダプレートの周縁部に環状溝１５が形成されている。
　第１の実施の形態と異なる点は、柱状部１４が３つ存在し、それらの位置に第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　なお、前記柱状部１４の数は３つに限らず、図１０（第４の実施の形態）に記載の如く、いくつであっても良い。

　次に、図１１は本発明の第５の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例が、第３の実施の形態と異なる点は、第２ろう付部９が３つ存在し、３つの柱状部１４の各位置に各第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　次に、図１２は本発明の第６の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例が、第５の実施の形態と異なる点は、第２ろう付部９が２つ存在し、３つの柱状部１４のうち２つの位置に各第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、柱状部１４の前記２つについては、第５の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　次に、図１３は本発明の第７の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例は、図６~図８の第２の実施の形態と同じく、ヘッダプレートの周縁部に環状溝相当部１５ａが形成されている。
　第２の実施の形態と異なる点は、柱状部１４が３つ存在し、それらの位置に第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　なお、前記柱状部１４の数は３つに限らず、図１４（第８の実施の形態）に記載の如く、いくつであっても良い。

　次に、図１５は本発明の第９の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例が、第７の実施の形態と異なる点は、第２ろう付部９が３つ存在し、３つの柱状部１４の各位置に各第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、第７の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　次に、図１６は本発明の第１０の実施の形態を示す要部断面図である。
　この例が、第９の実施の形態と異なる点は、第２ろう付部９が２つ存在し、３つの柱状部１４のうち２つの位置に各第２ろう付部９が配置されている点である。
　この実施の形態においても、柱状部１４の前記２つについては、第９の実施の形態と同様に、応力集中が緩和される。

　本発明は、ラジエータ等の熱交換器に適用することができる。

　１　平面部
　２　連結部
　３　偏平チューブ
　３ａ　開口縁
　４　挿通孔
　５　ヘッダプレート
　６　垂直中心軸
　７　水平中心軸
　８　端部ろう付部
　８ａ　端部ろう付部
　９　第２ろう付部
　１０　第１ろう付部
　１４　柱状部
　１４ａ　中間柱状部
　１５　環状溝
　１５ａ　環状溝相当部
　１６　フィン
　１７　側壁
　１８　凸部
　Ｍ１~Ｍ３　長さ
　Ｔ１~Ｔ３　領域

Claims

　対向する一対の平面部（１）および両平面部（１）間を連結する一対の連結部（２）を有する偏平チューブ（３）と、
　各偏平チューブ（３）の端部を挿通する多数の挿通孔（４）が長手方向に離間して、互いに平行に配置されたヘッダプレート（５）と、を具備し、
　前記挿通孔（４）と前記偏平チューブ（３）の外面との間がろう付される熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　前記偏平チューブ（３）は、その内部の中心を通る垂直中心軸（６）と、その垂直中心軸（６）に直交して、偏平チューブ（３）の偏平面に平行な水平中心軸（７）と、を有し、
　前記偏平チューブ（３）のうち、少なくとも１つは、その水平中心軸（７）方向で、その両端部の位置の端部ろう付部（８）と、その端部ろう付部（８）に隣接する第１ろう付部（１０）とを有し、
　前記垂直中心軸（６）方向において、第１ろう付部（１０）の位置が、端部ろう付部（８）の位置よりも、偏平チューブ（３）の垂直中心軸（６）方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造。
　請求項１に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　各偏平チューブ（３）の並列方向の最も外側の偏平チューブにおける、前記第１ろう付部（１０）の位置が前記端部ろう付部（８）の位置より偏平チューブ（３）の垂直中心軸（６）方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造。
　請求項１に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　各偏平チューブ（３）は第２ろう付部（９）を有し、
　前記垂直中心軸（６）方向において、第１ろう付部（１０）の位置が、第２ろう付部（９）の位置よりも、偏平チューブ（３）の垂直中心軸（６）方向の中央側に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造。
　請求項３に記載の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造において、
　前記偏平チューブ（３）は、前記平面部の内面同士を接続する柱状部（１４）を有し、
　前記柱状部（１４）のうち少なくとも一つは、前記第２ろう付部（９）に位置する熱交換器の偏平チューブとヘッダプレートのろう付構造。