JP7121551B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流体どうしの間で熱交換が行われる熱交換器に関する。

特許文献１には、第１流体（吸気）を第２流体（エンジンの冷却液）によって冷却する熱交換器（インタークーラ）が開示されている。

特許文献１に記載された熱交換器は、積層される複数のチューブと、積層される各チューブを支持するコアプレートと、各チューブを覆うように配置されて第１流体が流通する流路形成部材と、を備える。コアプレートには、各チューブの端部が接合されるととともに、流路形成部材が接合される。

特開２０１４－２１４９５５号公報

特許文献１に記載された熱交換器では、チューブと流路形成部材との間に生じる熱膨張量の差によってコアプレート及びチューブの端部に熱歪みが生じる。薄肉材によって形成されるチューブの端部に生じる熱歪みは、熱交換器の耐久性を低下させる要因になる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換器の耐久性を高めることを目的とする。

本発明のある態様によれば、第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、内部を第２流体が流通する複数のチューブと、積層される前記複数のチューブの端部を支持する支持プレートと、前記チューブの間に第１流体が流通する流路を形成する流路プレートと、を備え、前記流路プレートは、前記支持プレートに接合される被支持板部と、前記被支持板部に開口して第１流体が流通する流路開口部と、前記流路開口部と連続して形成され前記被支持板部を切り欠く流路プレート切欠部と、を有することを特徴とする熱交換器が提供される。

本発明のある態様によれば、第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、内部を第２流体が流通する複数のチューブと、内部に第１流体が流通する流路を形成するケースと、を備え、前記ケースは、積層される前記複数のチューブの端部を支持する一対の支持プレートと、第１流体が流通する矩形状の流路開口部を有する流路プレートと、を備え、前記流路プレートは、両端部が前記支持プレートに接合され、前記流路開口部の隅部から前記チューブの長手方向に形成される流路プレート切欠部を有することを特徴とする熱交換器が提供される。

上記態様によれば、流路プレートは、流路プレート切欠部によって剛性が低下することにより、チューブとの間に生じる熱膨張量の差によって変形することが促される。これにより、チューブの端部に生じる熱歪みが小さく抑えられ、熱交換器の耐久性が高められる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器を示す斜視図である。 図２は、熱交換器を分解した状態を示す斜視図である。 図３は、熱交換器の組立体を示す斜視図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ支持プレートを示す正面図、平面図、側面図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ流路プレートを示す側面図、正面図、平面図である。 図６Ａは、熱交換器が熱変形する前の状態を示す断面図である。 図６Ｂは、熱交換器が熱変形した状態を示す断面図である。 図７は、熱交換器が熱変形した状態を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る熱交換器１００を示す斜視図である。熱交換器１００は、吸気（第１流体）が流通する第１流路１と、冷却液（第２流体）が循環する第２流路２と、を備える。熱交換器１００は、車両（図示せず）に搭載され、エンジン（図示省略）に過給される吸気を冷却液によって冷却する水冷式チャージエアクーラとして用いられる。冷却液は、熱交換器１００を流通した後に、放熱器（図示せず）を流通して外気に放熱するようになっている。

図２は、熱交換器１００を分解した状態を示す斜視図である。熱交換器１００は、第１流路１を形成するケース２０及びダクト６、７と、第２流路２を形成する複数のチューブ９及びタンク４、５と、を備える。

複数のチューブ９は、４列に並んで積層される。チューブ９の各層の間には、フィン８が配置される。互いに積層されるチューブ９及びフィン８は、吸気と冷却液との間で熱交換が行われるコア３を構成する。なお、コア３は、上記構成に限らず、フィン８を備えず、互いに積層されるチューブ９のみによって構成されるものであってもよい。

ケース２０は、各チューブ９の両端部９ａに接合される１対の支持プレート１１と、チューブ９の積層方向について両端に配置される一対の積層端プレート２１と、各チューブ９に直交する流路方向について両端に配置される一対の流路プレート３１と、を備える。なお、ケース２０は、上記構成に限らず、積層端プレート２１と流路プレート３１とが一体に形成されるものであってもよい。

各支持プレート１１には、各チューブ９に冷却液を導くタンク４、５がそれぞれ接合される。一方のタンク４には、冷却液を流入させるパイプ１８と、冷却液を流出させるパイプ１９と、が接合される。

図３は、上記熱交換器１００の各部材が組み立てられた組立体１０を示す斜視図である。金属製の組立体１０は、加熱炉に搬送されて熱処理されることにより各接合部がろう付けによって接合される。

図１、図２に示すように、組立体１０の各流路プレート３１には、吸気を導くダクト６、７が接続される。樹脂製のダクト６、７は、後述するように、各流路プレート３１にカシメ固定される。図２に示すように、ダクト６、７と各流路プレート３１との間には、パッキン４０が配置される。

熱交換器１００の作動時に、冷却液は、図１に黒矢印で示すように、パイプ１８からタンク４内の分配室（図示せず）を通じて上流側２列の各チューブ９に分配される。上流側２列の各チューブ９を流通した冷却液は、他方のタンク５内にて流れ方向が転換されて下流側２列の各チューブ９に分配される。下流側２列の各チューブ９を流通した冷却液は、タンク４内の集合室（図示せず）にて集合し、パイプ１９から流出して循環する。

一方、吸気は、図１に白抜き矢印で示すように、一方のダクト６内及び流路プレート３１を通じてコア３に流入し、各チューブ９間の第１流路１に分配される。各チューブ９間の第１流路１を流れる吸気は、各チューブ９内を流通する冷却液に放熱することで冷却される。各チューブ９間の第１流路１から流出した吸気は、他方の流路プレート３１及びダクト７内を通じて集合し、エンジンの燃焼室（図示せず）に供給される。

以下、各図面において互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸を設定して熱交換器１００の構造について説明する。なお、コア３において、吸気が各チューブ９間の第１流路１を流れる流路方向を「Ｘ軸方向」と呼び、チューブ９が延在するチューブ長手方向を「Ｙ軸方向」と呼び、チューブ９が積層される積層方向を「Ｚ軸方向」と呼ぶ。

図２に示すように、チューブ９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延在する扁平筒状をしている。チューブ９は、板厚ｔ１の金属板をプレス成形して形成される。なお、チューブ９の形状は、これに限らず、例えば、断面円形のパイプ等、どのようなものであってもよい。

各チューブ９は、一対の支持プレート１１によって両持ち支持される。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ支持プレート１１を示す正面図、平面図、側面図である。箱形の支持プレート１１は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に延在する側板部１２と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延在する一対の積層端板部１３と、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に延在する一対の流路端板部１４と、を有する。積層端板部１３及び流路端板部１４は、側板部１２の４辺に連接する四角形の枠状に形成される。

支持プレート１１は、金属板をプレス成形して形成される。支持プレート１１は、チューブ９の板厚ｔ１より大きい板厚ｔ２の金属板によって形成される。

略矩形の側板部１２には、複数のバーリング孔１２ａが４列に並んで開口する。バーリング孔１２ａは、側板部１２からＹ軸方向に突出するバーリング部１２ｂに開口する。各バーリング孔１２ａには、各チューブ９の端部９ａ（図２、図６Ａ参照）が挿入されて接合される。

図４（Ｃ）に示すように、流路端板部１４は、流路プレート３１が接合される接合板部１４ａを有する。接合板部１４ａは、第１流路１に面して開口する開口部１５を有する。開口部１５は、Ｚ軸方向に並ぶ２つの隅部１５ａを有する。

図４（Ｃ）に示すように、支持プレート１１は、２つの隅部１５ａにそれぞれ開口する一対の支持プレート切欠部１６を有する。各支持プレート切欠部１６は、接合板部１４ａを切り欠いて形成され、開口部１５からＹ軸方向に形成される凹状をしている。

図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ流路プレート３１を示す側面図、平面図、正面図である。流路プレート３１は、略矩形をした外形状を有する枠部３４と、枠部３４の４辺に連接する一対の側端カシメ板部３２及び一対の積層端カシメ板部３３と、を有する。

流路プレート３１は、金属板をプレス成形して形成される。流路プレート３１は、支持プレート１１の板厚ｔ２より大きい板厚ｔ３の金属板によって形成される（図６Ａ参照）。

図５（Ａ）に示すように、枠部３４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に延在する一対の被支持板部３４ａと、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に延在する一対の被支持板部３４ｂと、を有する。被支持板部３４ａには、積層端プレート２１が接合される。後述するように、被支持板部３４ｂには、支持プレート１１が接合される。

枠部３４は、各被支持板部３４ａの中央部どうしを結ぶ梁部３４ｃを有する。なお、これに限らず、枠部３４は、梁部３４ｃを有さないものであってもよい。

枠部３４は、第１流路１に面して開口する略矩形の流路開口部３５と、流路開口部３５に開口する二対の流路プレート切欠部３６と、を有する。各流路プレート切欠部３６は、被支持板部３４ｂを切り欠いて形成される。

流路開口部３５は、Ｙ軸方向に延在する一対の開口端３５ａと、Ｚ軸方向に延在する一対の開口端３５ｂと、開口端３５ａと開口端３５ｂとが交差する４つの隅部３５ｃと、を有する。

各流路プレート切欠部３６は、４つの隅部３５ｃにそれぞれ配置され、各開口端３５ａに連続するように形成される。

各流路プレート切欠部３６は、開口端３５ｂからＹ軸方向に凹状に形成される。

各流路プレート切欠部３６は、支持プレート１１の支持プレート切欠部１６と略同一位置に配置されることで、支持プレート切欠部１６と合致するようになっている。

図６Ａは、支持プレート１１、流路プレート３１及びタンク４の接合部を示す断面図である。支持プレート１１の側板部１２の外面には、タンク４、５が接合される。側板部１２は、タンク４、５内の第２流路２と、各チューブ９間の第１流路１と、を仕切る隔壁として機能する。

図６Ａに示すように、支持プレート１１の接合板部１４ａの外面には、流路プレート３１の被支持板部３４ｂが接合される。

また、図６Ａは、ダクト７が流路プレート３１に取り付けられた状態を示す。流路プレート３１には、ダクト６、７の開口端がパッキン４０を介して枠部３４の外面に当接するように組み付けられる。そして、側端カシメ板部３２及び積層端カシメ板部３３は、枠部３４に対して略直交するように起こされる。これにより、側端カシメ板部３２及び積層端カシメ板部３３に開口した各カシメ孔３９は、ダクト６、７の突起部２９に嵌合する。こうして、ダクト６、７は、流路プレート３１にカシメ固定される。

次に、熱交換器１００の作動時に各部が熱変形する状態について説明する。

図６Ａは、熱交換器１００の各部が熱変形する前の状態を示す。この状態では、チューブ９、支持プレート１１、流路プレート３１の各部がＸ軸方向またはＹ軸方向に沿って直線状に延びている。

図６Ｂ、図７は、熱交換器１００の各部が熱変形した状態を示す。この状態では、低温の冷却液が流通するチューブ９に対して、高温の吸気が流通する支持プレート１１及び流路プレート３１が熱膨張する。このとき、特に流路開口部３５を有する流路プレート３１は、吸気の熱を多く受けることで大きく熱膨張する。一方、支持プレート１１及び各チューブ９の内部に冷却液が流通しているため、各チューブ９の熱膨張量は流路プレート３１と比較して小さい。これにより、流路プレート３１の枠部３４では、被支持板部３４ｂが支持プレート１１の流路端板部１４によってＹ軸方向（図６Ｂにおいて下方向）に引っ張られることで、被支持板部３４ｂがＺ軸周りについて矢印Ａ方向に曲がる熱変形をする。

流路プレート３１の被支持板部３４ｂは、流路プレート切欠部３６によって剛性が低下することにより、Ｚ軸周りに矢印Ａ方向に曲がることが促される。同様に、支持プレート１１の接合板部１４ａも、支持プレート切欠部１６によって剛性が低下することにより、Ｚ軸周りに矢印Ａ方向に曲がることが促される。これにより、流路プレート３１及び支持プレート１１に応力が分散し、薄肉材によって形成されるチューブ９の端部９ａに応力が集中することが抑えられる。

図６Ｂにおいて、線分Ｂは、上記のように熱変形をした被支持板部３４ｂ及び接合板部１４ａに沿う直線である。また、線分Ｃは、流路プレート切欠部３６、支持プレート切欠部１６を有さない比較例において熱変形をした被支持板部３４ｂ及び接合板部１４ａに沿う直線である。線分Ｂは、比較例の線分Ｃに比べてＹ軸に対して角度θだけ大きく傾斜する。これにより、チューブ９の端部９ａでは、流路プレート３１及び支持プレート１１によってＺ軸方向（図６Ｂにおいて上方向）に引っ張られることが抑えられ、支持プレート１１との接合部に生じる熱歪みが低減される。

次に、本実施形態の効果について説明する。

［１］本実施形態によれば、熱交換器１００は、内部を冷却液が流通する複数のチューブ９と、積層されるチューブ９の端部９ａを支持する支持プレート１１と、複数のチューブ９の間に吸気が流通する第１流路１(流路)を形成する流路プレート３１と、を備える。流路プレート３１は、支持プレート１１に接合する被支持板部３４ｂと、被支持板部３４ｂに開口して吸気が流通する流路開口部３５と、流路開口部３５と連続して形成され被支持板部３４ｂを切り欠く流路プレート切欠部３６と、を有する熱交換器１００が提供される。

このように構成することで、被支持板部３４ｂは、流路プレート切欠部３６によって剛性が低下することにより、流路プレート３１とチューブ９との間に生じる熱膨張量の差によって変形することが促される。これにより、チューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられ、熱交換器１００の耐久性が高められる。

流路プレート３１は、流路プレート切欠部３６が被支持板部３４ｂの一部を切り欠くことにより、限られたスペースにおいて支持プレート１１と接合する面積が十分に確保される。これにより、熱交換器１００の製造時には、流路プレート３１と支持プレート１１とがロウ材によって接合されるロウ付けが良好に行われる。

［２］また、支持プレート１１は、被支持板部３４ｂに接合される接合板部１４ａと、流路プレート切欠部３６と合致するように接合板部１４ａを切り欠く支持プレート切欠部１６を有する。

このように構成することで、流路プレート３１及び支持プレート１１は、互いに合致する流路プレート切欠部３６及び支持プレート切欠部１６によって剛性が低下することにより、流路プレート３１とチューブ９との間に生じる熱膨張量の差によって変形することが促される。これにより、チューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられる。

［３］また、流路開口部３５は、チューブ９の積層方向（Ｚ軸方向）に並ぶ一対の隅部３５ｃを有する。流路プレート切欠部３６は、一対の隅部３５ｃにそれぞれ配置される。

このように構成することで、各隅部３５ｃに配置される一対の流路プレート切欠部３６は、チューブ９の積層方向（Ｚ軸方向）に延在する被支持板部３４ｂの剛性を有効に低下させる。これにより、チューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられる。

なお、変形例として、一つの流路プレート切欠部３６が積層方向（Ｚ軸方向）に並ぶ一対の隅部３５ｃの間に配置される構成としてもよい。この変形例に比べて、各隅部３５ｃに配置される一対の流路プレート切欠部３６は、チューブ９の積層方向（Ｚ軸方向）について互いに離されることで、チューブ９の積層方向（Ｚ軸方向）に延在する被支持板部３４ｂの剛性を有効に低下させることができる。

［４］また、流路プレート切欠部３６は、流路開口部３５からチューブ９の長手方向（Ｙ軸方向）に形成される。

このように構成することで、流路プレート切欠部３６は、チューブ９の長手方向（Ｙ軸方向）について被支持板部３４ｂを切り欠くことにより、被支持板部３４ｂの剛性を有効に低下させる。これにより、チューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられる。

［５］本実施形態によれば、熱交換器１００は、内部を冷却液が流通する複数のチューブ９と、内部に吸気が流通する第１流路１(流路)を形成するケース２０と、を備える。ケース２０は、複数のチューブ９の端部９ａを支持する一対の支持プレート１１と、吸気が流通する矩形状の流路開口部３５を有する一対の流路プレート３１と、を備える。流路プレート３１は、被支持板部３４ｂ(両端部)が支持プレート１１に接合され、流路開口部３５の隅部３５ｃからチューブ９の長手方向に形成される流路プレート切欠部３６を有する。

このように構成することで、ケース２０では、流路開口部３５の各隅部３５ｃに配置される一対の流路プレート切欠部３６が流路プレート３１の被支持板部３４ｂ(両端部)の剛性を有効に低下させる。これにより、チューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられ、熱交換器１００の耐久性が高められる。

［６］また、流路プレート３１の板厚ｔ２は、支持プレート１１の板厚ｔ３より小さい。

このように構成することで、ケース２０は、流路プレート３１及び支持プレート１１によって十分な剛性が確保され、かつチューブ９の端部９ａに生じる熱歪みが小さく抑えられる。

［７］また、流路プレート３１は、流路開口部３５に吸気を導くダクト６、７がカシメ固定される枠部３４を備える。

このように構成することで、ケース２０は、ダクト６、７がカシメ固定される枠部３４によって流路プレート３１の剛性が高められ、流路プレート３１の外形状が維持される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、流路プレート３１は流路開口部３５に沿って枠状（環状）に延在する単一の部材である。なお、これに限らず、流路プレート３１は、流路開口部３５に沿って複数に分割された部材であってもよい。

本発明は、車両に搭載される熱交換器として好適であるが、車両以外に使用される熱交換器にも適用できる。

９ チューブ
９ａ 端部
１１ 支持プレート
１４ａ 接合板部
１６ 支持プレート切欠部
２０ ケース
３１ 流路プレート
３４ 枠部
３４ｂ 被支持板部
３５ 流路開口部
３５ｃ 隅部
３６ 流路プレート切欠部
１００ 熱交換器

Claims (7)

1. 第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
   内部を第２流体が流通する複数のチューブと、
   積層される前記複数のチューブの端部を支持する支持プレートと、
   前記チューブの間に第１流体が流通する流路を形成する流路プレートと、を備え、
   前記流路プレートは、
   前記支持プレートに接合される被支持板部と、
   前記被支持板部に開口して第１流体が流通する流路開口部と、
   前記流路開口部と連続して形成され前記被支持板部を切り欠く流路プレート切欠部と、を有することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記支持プレートは、
   前記被支持板部に接合される接合板部と、
   前記流路プレート切欠部と合致するように前記接合板部を切り欠く支持プレート切欠部と、を有することを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記流路開口部は、前記チューブの積層方向に並ぶ一対の隅部を有し、
   前記流路プレート切欠部は、一対の前記隅部にそれぞれ形成されることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器であって、
   前記流路プレート切欠部は、前記流路開口部から前記チューブの長手方向に形成されることを特徴とする熱交換器。
5. 第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
   内部を第２流体が流通する複数のチューブと、
   内部に第１流体が流通する流路を形成するケースと、を備え、
   前記ケースは、
   積層される前記複数のチューブの端部を支持する一対の支持プレートと、
   第１流体が流通する矩形状の流路開口部を有する一対の流路プレートと、を備え、
   前記流路プレートは、両端部が前記支持プレートに接合され、前記流路開口部の隅部から前記チューブの長手方向に形成される流路プレート切欠部を有する、
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の熱交換器であって、
   前記流路プレートの板厚は、前記支持プレートの板厚より大きいことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の熱交換器であって、
   前記流路プレートは、前記流路開口部に第１流体を導くダクトが固定される枠部を備えることを特徴とする熱交換器。

Images