JP2011503502A - 熱交換器を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明による複数のハウジング部分を有する熱交換器を製造するための方法が提案される。ハウジング部分のうちの少なくとも１つが支持体部分として働き、支持体部分に開口を形成し、該開口にリブを差し込み、該リブを支持体部分に材料接続式に、つまり材料による束縛に基づいて結合させるようにした。材料接続式の結合部を摩擦撹拌溶接により形成すると有利である。

Description

本発明は、冷却したい流体により通流される通路と、冷却流体により通流される通路とが形成されるように、複数のハウジング部分を組み立てて熱交換器を製造するための方法に関する。

このような熱交換器は、内燃機関において、たとえば給気冷却器または排気冷却器として使用される。

この使用領域では、種々異なる構造形式、特に管束式熱交換器、プレート式熱交換器またはダイカスト式熱交換器が知られている。特に、冷却させたい流体により通流される通路と、冷却流体により通流される通路としか有していない熱交換器では、冷却出力を高めるために、冷却流体を案内する通路を、冷却させたい流体により通流される通路のできるだけ近傍に近づけるか、もしくは付加的な熱伝達面を、たとえばリブによって達成することが必要である。このような冷却リブを、冷却させたい流体により通流される通路内に突入させることによって、たしかに流れ抵抗は高められるが、しかし冷却出力は著しく向上される。

通流される２つの通路を備えたこのようなダイカスト式熱交換器は、たとえばドイツ連邦共和国実用新案第２０２００６００９４６４号明細書に基づき公知である。この場合、単一部分または複数部分から成る外側のハウジング部分内には、内側のハウジングが配置される。この内側ハウジングの外壁は、冷却流体により通流される通路を、冷却させたい流体により通流される通路から分離する。したがって、外側のハウジングと内側のハウジングとの間には、冷却流体により通流される通路が形成される。内側のハウジングの、支持体部分として働く少なくとも１つのハウジング壁からは、冷却させたい流体により通流される内側に位置する通路内に突入するようにリブが延びている。公知の実施態様では、これらのリブが、ダイカストからの製造時に、内側のハウジング部分もしくは支持体部分とワンピースに、つまり一体に製造される。この場合、特に、重量が小さいという利点を有するアルミニウムダイカストが使用される。

しかし、このような実施態様で不都合となるのは、ダイカストで製造された熱交換器のコストが比較的に高価であり、かつ比較的広幅に形成されなければならないリブによって、重量に関する不都合と、より多くの材料消費とが生じることである。鋳造時には、リブ幅に制限が生じる。なぜならば、特にリブのベース領域においてリブが薄すぎた場合、安定性不足が生じる。同様に、鋳造時には、リブの相互間隔に関しても制限が与えられている。

付加的に、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２３２４６４９号明細書に基づき、個別のリング状のアングル形エレメント（Winkelelement）から成る熱交換器が公知である。アングル形エレメントは、互いに内外に重ねられる。リングの内縁部は、スリット付けされて形成されているので、端部を折り曲げてリブを形成することができる。このリブは通路の外側の領域で通路に突入する。これらのリブも、アングル形エレメントと一体に製造されている。通路の内側の領域には、リブがないままなので、その結果、熱交換器の効率悪化が生じる。

ドイツ連邦共和国実用新案第２９７０７１０４号明細書には、リブとして働くＵ字形成形材が、内側のハウジングの内壁に溶接によって固定される熱交換器が開示されている。内側ハウジングの内壁には作業者の手が極めて届きにくいので、この内側の固定部は高い製造コストに結びついている。

さらにドイツ連邦共和国実用新案第２００２２２３７号明細書に基づき、熱交換器の内側の熱交換ブロックが、外側ハウジングに取り付けられたＵ字形成形材またはＬ字形成形材を介して固定される熱交換器が公知である。この異形成形材は、外側ハウジングに、ねじを介してフレキシブルに取り付けられる。熱伝達を高めるためのリブは開示されていない。

したがって、本発明の課題は、公知の熱交換器と比べて冷却出力を変えないまま、より廉価に製造可能となり、かつより小さな重量を有しているような熱交換器を提供することである。

この課題を解決するために、本発明では、ハウジング部分のうちの少なくとも１つが支持体部分として働き、支持体部分に開口を形成し、該開口にリブを差し込み、該リブを支持体部分に材料接続式に、つまり材料による束縛に基づいて結合させるようにした。したがって、リブを一緒に鋳造する必要がなく、このことは形状付与の手間を著しく簡略化し、廉価に製造されたリブを使用することを可能にする。したがって、支持体部分として働くハウジング部分を形状付与の点で変更することができ、同じく重量に関しても、最適化しかつ減少させることができる。なぜならば、リブを支持体部分において安定化させるために、付加的な材料を使用する必要がないからである。

リブと支持体部分との結合が、廉価に実施されかつ自動化され得る溶接によって行われると有利である。

特に、摩擦撹拌溶接による結合部が推奨され得る。この摩擦撹拌溶接によって、アルミニウムダイカスト部分を信頼性よく互いに結合させるか、またはアルミニウムダイカスト部分を別の構成部分に結合させることができる。

有利な実施態様では、支持体部分がダイカスト法により製造される。この場合、鋳造時に支持体部分に複数の開口が形成される。したがって、付加的な後加工は必要とならない。それにもかかわらず、支持体部分への形状付与は簡単なままである。

択一的な実施態様では、支持体部分が深絞り加工によって製造される。これによって、付加的にコストを節減することができる。

リブが、連続鋳造法で一連に製造され、次いで所望の長さに切断されると有利である。このことは、たとえば鋸引きもしくはソーイングによって行うことができるので、この実施態様でも、僅かな製造コストしか発生しない。

開口内へのリブの差込み後に、リブの、支持体部分に載置された軸方向の長手方向側および横方向側に沿って全周にわたり溶接すると有利である。これにより、支持体部分の閉じられた表面が生じるので、組立て後には、冷却流体を案内する通路と、冷却させたい流体を案内する通路との間に、閉じられた隔壁が形成される。それと同時に、リブは永続的に支持体部分に結合される。

リブを、少なくとも２つの脚部を有する異形成形材の第１の脚部により形成し、この第１の脚部を、支持体部分の開口に差し込み、差込み後に、第１の脚部に対して垂直に位置する第２の脚部を、支持体部分に設けられた切欠きに載置させると有利である。この切欠きは、たとえば、既にダイカスト法で、支持体部分に形成され得る。このような実施態様により、支持体部分における、リブの組付け方向での前位置固定が得られ、これによって、製造がさらに簡単にされる。

さらに別の実施態様では、異形成形材として、３つの脚部を有するＵ字形成形材が使用される。このＵ字形成形材では、第３の脚部が、同じくリブとして働く。この実施態様では、前位置固定がもう一度強化される。製造時かつリブの装着時では、溶接過程前のリブの傾動が完全に阻止される。さらに、成形材の半数を相応する開口に導入するだけでよい。

上記実施態様をさらに改良した実施態様では、第２の脚部を、支持体部分に設けられた切欠きの高さにほぼ相当する厚さに形成する。この場合、第２の脚部と切欠きとの寸法を、リブの差込み後に、支持体部分のほぼ平坦な表面が生じるように選択する。これによって、このような熱交換器の組立て後に、支持体部分のリブが設けられていない側によって画定される通路の、圧力損失が最小限に抑えられる。さらに、障害物および縁部を越えて接合工具を移動させる必要がないので、摩擦撹拌溶接シームの形成が明らかに簡単になる。

別の最適化された実施態様では、支持体部分に複数のリブ列を互いにずらして配置する。この場合、第１のリブ列の第２の脚部の、それぞれ１つの軸方向の第１の長手方向側および／または第１の横方向側が、次の第２のリブ列の第２の脚部の軸方向の第２の長手方向側および／または第２の横方向側のほぼ延長上に配置されるようにされる。これによって、必要となる溶接シームの数が減じられ、同時にリブ列を互いに対してずらすことが可能となる。

熱交換器のこのような製造は、廉価に実施することができ、しかも、高い冷却出力を達成可能であり、重量を更に小さくすることができる。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明による方法により製造された熱交換器のリブを有する支持プレートの一部を示す平面図である。 図１に示した支持プレートの構成を示す側面図である。 本発明による方法により製造された、リブを有する支持プレートの一部の択一的な構成を示す平面図である。 図２に対応する側面図である。

図１および図２には、熱交換器のハウジング部分として働く支持体部分１の一部が図示されている。この支持体部分１は、本実施態様では、支持プレートとして形成されている。支持体部分１は、開口２を有しており、これらの開口２にはリブ３が差し込まれる。このことは、特に図２から判る。リブ３は、本実施態様では、３つの脚部を有するＵ字形成形材４により形成される。この場合、第１の脚部５と、この第１の脚部５に対して平行に延びる第３の脚部６とは、組立て後に、それぞれ１つのリブ３を形成する。第２の脚部７は、第１および第３の両脚部５，６を互いに結合させ、これらの脚部５，６に対して９０°の角度を成して配置されている。

支持体部分１は、脚部５，６が突入する開口２に対して付加的に、切欠き８を有している。この切欠き８は、支持体部分１の表面９に形成されている。この場合、この切欠き８の高さは、第２の脚部７の厚さにほぼ相当しているので、表面９は、リブ３の差込み後には、ほぼ平坦となる。図１には、支持体部分１を上から見た平面図が示されているので、第２の脚部７を上方から認識することができる。さらに、図１には、図面を見易くするために、溶接シーム１０が部分的にしか示されていない。この溶接シーム１０を用いて、Ｕ字形成形材４は支持体部分１に固定される。各リブ列は軸方向で見て長辺に沿って延びる第１第２の両長手方向側と、長手方向側に対して直交する横方向に延びる第１第２の横方向側とを有しており、この場合、第１のリブ列１２の、軸方向の第１の長手方向側１１が、次の第２のリブ列１４の、軸方向の逆側の第２の長手方向側１３に隣接しているか、もしくはこの第２の長手方向側１３の延長上に配置されているので、この領域では固定のために唯１つの溶接シーム１０しか必要とならないことが判る。

図３および図４は、図１および図２に示した実施態様に対して択一的な実施態様の、相応した図を示している。したがって、以下では同一の部分については同じ符号が使用される。両実施態様の間の相異は、Ｕ字形成形材４の代わりに、この実施態様ではアングル形成形材１７がリブ３の形成のために使用されることにある。このアングル形成形材１７も、２つの脚部５，７を有しており、これらの脚部５，７は、互いに対して垂直に位置しているので、この実施態様でも、第２の脚部７は、支持体部分１に設けられた切欠き８内に配置されている。このような形式の実施態様では、第１のリブ列１２の、第２のリブ列１４に対するずれを形成することが付加的に可能であり、この場合、第１のリブ列１２の、軸方向の第１の長手方向側１１が、第２のリブ列１４の、軸方向の第２の長手方向側１３の延長上にそれぞれ配置されているだけではなく、第１第２の長手方向側１１，１３の相互配置に対して付加的に、第２の脚部７の横方向側１５，１６も、同様の形式で相互配置されているので、この場合にも、第１のリブ列１２の、軸方向の第１の横方向側１５が、第２のリブ列１４の、反対側に位置する第２の横方向側１６の延長上に配置されている。これによって、必要となる溶接シームの数、ひいては全体的に溶接しなければならない長さが著しく減少する。

次いで、このような支持体部分１は、組立て時に、たとえば溶接を介して、ほぼポット形のハウジング部分（図示せず）に固定され得るので、このポット形の部分内で、たとえば冷却させたい流体により通流される通路が形成される。こうして形成されたハウジング部分は、たとえばやはりポット形のハウジング部分によって取り囲まれ得るので、内側に位置するハウジング部分の外壁と、外側に位置するハウジング部分の内壁との間に、冷却流体によって通流される通路を形成することができ、これにより熱交換器を形成することができる。

リブ３を有する支持体部分１の製造は、まず支持体部分１をダイカスト法により製造するように行われる。この場合、開口２ならびに切欠き８を、ダイカスト法で一緒に形成することができる。

択一的には、開口２および切欠き８を形成するための、あとからの機械的な加工も可能である。異形成形材４，１５が、連続鋳造法によって製造されると有利であり、たとえばソーイングにより切断されるので、これにより開口２に差し込まれる個別のリブ３が得られる。引き続き、リブ３を形成する異形成形材４，１５の第２の脚部７の、軸方向の横方向側１５，１６および長手方向側１１，１３に沿って、有利には摩擦撹拌溶接を介して、異形成形材４，１５と支持体部分１との間の結合部が形成され、それと同時に開口２が閉じられるので、支持体部分１の表面９と下面１７との間で、密な空間的な分離が行われる。これにより、この壁は、熱交換器の、流体よって通流される両通路の間の隔壁として働くことができる。

リブ３を有する、このように形成された支持体部分１により製造された熱交換器は、廉価に製造可能であり、高い冷却出力と同時に小さな重量を有している。なぜならば、リブを、たとえばアルミニウムから製造することができ、かつこのような製造の際には最適化された幾何学形状を達成することができるからである。

上の説明から明らかであるように、上記利点を断念する必要なく、ダイカストから成る支持体部分の代わりに、たとえば支持体部分を深絞り成形部分として製造し、かつ使用することが可能となる。

Claims (11)

1. 冷却したい流体により通流される通路と、冷却流体により通流される通路とが形成されるように、複数のハウジング部分を組み立てて熱交換器を製造するための方法において、前記ハウジング部分のうちの少なくとも１つのハウジング部分を、支持体部分（１）として使用し、該支持体部分（１）に複数の開口（２）を形成し、該開口（２）内に、それぞれリブ（３）を差し込み、該リブ（３）を前記支持体部分（１）に材料接続式に結合させることを特徴とする、熱交換器を製造するための方法。
2. 結合部を溶接により形成する、請求項１記載の方法。
3. 結合部を摩擦撹拌溶接により形成する、請求項２記載の方法。
4. 支持体部分（１）を、ダイカスト法により製造し、該ダイカスト法の際に鋳造時に、前記開口（２）を支持体部分（１）に形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 支持体部分（１）を、深絞り加工により製造する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記リブ（３）を連続鋳造法により製造し、次いで所望の長さに切り詰める、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記開口（２）への前記リブ（３）の差込み後に、前記リブ（３）の、支持体部分（１）に載置された軸方向の長手方向側（１１，１３）および横方向側（１５，１６）に沿って全周にわたり溶接する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記リブ（３）を、少なくとも２つの脚部を有する異形成形材（４，１５）の第１の脚部（５）により形成し、該第１の脚部（５）を支持体部分（１）の前記開口（２）に差し込み、差込み後に、前記第１の脚部（５）に対して垂直に位置する第２の脚部（７）を、支持体部分（１）に設けられた切欠き（８）に載置させる、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 異形成形材として、３つの脚部（５，６，７）を有するＵ字形成形材（４）を使用し、第３の脚部（６）を同じくリブ（３）として使用する、請求項８記載の方法。
10. 第２の脚部（７）を、支持体部分（１）に設けられた前記切欠き（８）の高さにほぼ相当する厚さに形成し、第２の脚部（７）と前記切欠き（８）との寸法を、前記リブ（３）の差込み後に、支持体部分（１）のほぼ平坦な表面（９）が生じるように選択する、請求項８または９記載の方法。
11. 第１のリブ列（１２）の第２の脚部（７）の、それぞれ１つの軸方向の第１の長手方向側（１１）および／または第１の横方向側（１５）が、次の第２のリブ列（１４）の第２の脚部（７）の軸方向の第２の長手方向側（１３）および／または第２の横方向側（１６）のほぼ延長上に配置されるように、支持体部分（１）に複数のリブ列（１２，１４）を互いにずらして配置する、請求項１０記載の方法。

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