JP6372332B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部を流れる流体と、内部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器及びその製造方法に関する。

内燃機関やタービン等、車両の運転時に高温となる機器に冷却水を循環させることで、これらを冷却して適切な温度に維持する技術が広く普及している。冷却水は内燃機関等と熱交換を行うことで高温となるため、当該冷却水を再度冷却に用いるためには、放熱させて温度を低下させる必要がある。このため、高温になった冷却水と、車両が取り入れる空気との間で熱交換を行う熱交換器を搭載することが一般的となっている。

下記特許文献１には、被冷却流体である冷却水を複数のチューブに流す熱交換器が記載されている。この熱交換器では、複数のチューブは、その一端部が分配タンク部（タンク）に接続されている。分配タンク部に供給される高温の冷却水は、各チューブの一端部に分配されるとともに、各チューブを一端部から他端部に向けて流れることで冷却されるように構成されている。

このような熱交換器では、チューブごとに冷却水の流入し易さにバラつきが生じ、冷却水が特定のチューブに偏って流れる傾向がある。この偏流は、冷却水の流量が大きいチューブが比較的高温になる一方、流量が小さいチューブは比較的低温になるという温度のバラつきをも招く。このため、温度差が大きい位置に配置されたチューブでは、熱膨張量の差異によって歪が生じ、破損に至るおそれがあった。

このような課題に対し、下記特許文献１では、スティフナ（インサート部材）を用いることで、チューブを歪に起因する破損から保護することが開示されている。詳細には、チューブや分配タンクとは別部材のスティフナが用いられ、このスティフナを分配タンクの内部においてチューブの一端部に挿入する。これにより、当該チューブを補強し、歪を抑制して破損を防止するものである。

特開２００５−２２１１２７号公報

上記特許文献１に記載の熱交換器では、スティフナが、チューブの一端部から分配タンク部の内部に突出するように設けられる。このため、分配タンク部の内部の冷却水流れにとってスティフナが抵抗となり、各チューブへの冷却水の分配が適切に行われなくなるおそれがあった。また、近年、熱交換器は更なる小型化が求められているのに対して、分配タンク部の内部にスティフナを設けるスペースを確保することは、その要求に相反するものとなっていた。

また、スティフナは、チューブの一端部に挿入することで固定されている。このため、熱交換器の長期使用に伴ってスティフナがチューブから脱落し、その性能を維持できなくなる等、信頼性の面で課題を残していた。このようなスティフナは、ろう付けによって固定される場合もあるが、この場合でも、当該ろう付けの工程や、ろう付け前にスティフナをチューブに仮止めする工程が必要となり、製造コストが増加するおそれがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化が可能で信頼性が高い構成としながらも、被冷却流体の偏流を抑制して破損を防止することができる熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器の製造方法は、内部を被冷却流体が流れる複数本のチューブ（２１）と、内部に被冷却流体を流入させる被冷却流体入口（３１a）が形成されたタンク（３４）と、複数本のチューブ（２１）の上流側端部が接続されたコアプレート（３３）とを有する分配タンク部（３０）とを有し、複数本のチューブのうち第１チューブ（２１１）が被冷却流体入口（３１a）の近傍に配され、複数本のうち第２チューブ（２１２）が第１チューブ（２１１）よりも被冷却流体流入口から離れて配され、外部を流れる流体と、内部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）の製造方法であって、分配タンク部のコアプレートに、複数の貫通孔（３３１，３３２）を形成する第１の工程と、各貫通孔の縁部に、分配タンク部の内部の分配流路（３２）側に突出する環状部（３３１a）を形成する第２の工程と、被冷却流体を流すチューブ流路（２１１ｆ，２１２ｆ）を内部に有する複数のチューブ（２１）の上流側端部（２１１ａ，２１２ａ）を貫通孔のそれぞれに挿入する第３の工程と、第１チューブの上流側端部において縮径させ、第１チューブの流路断面積を第２チューブの流路断面積よりも小さくする第４の工程と、を有する。

本発明では、第４の工程で、第１チューブの上流側端部において縮径させ、第１チューブの流路断面積を第２チューブの流路断面積よりも小さくする。したがって、被冷却流体の第２チューブへの偏流を抑制して破損を防止することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器の製造方法は、外部を流れる流体と、内部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）の製造方法であって、内部に被冷却流体を流入させる被冷却流体流入口（３１ａ）及び分配流路（３２）を有する分配タンク部（３０）のコアプレート（３３）に、複数の貫通孔（３３１，３３２）を形成する第１工程であって、被冷却流体流入口近傍の貫通孔（３３１）に、分配タンク部の外部側から内部側にかけて縮径する縮径部（３３１ｂ）を形成する第１工程と、被冷却流体を流すチューブ流路（２１１ｆ，２１２ｆ）を内部に有する複数のチューブ（２１）を、その上流側端部（２１１ａ，２１２ａ）において貫通孔のそれぞれに挿入する第２工程であって、被冷却流体流入口近傍の貫通孔に挿入するチューブ（２１１）の上流側端部（２１１ａ）を、該貫通孔への挿入にともなって縮径部と当接させて圧縮することで、該上流側端部にチューブ流路の被冷却流体流れ方向中央部に向けて拡径するテーパ部（２１１ｃ）を形成する第２工程と、を有する。

本発明では、第１工程において、被冷却流体流入口近傍の貫通孔を縮径するように形成する。第２工程では、チューブの上流側端部を挿入することで、縮径部と当接させて圧縮し、テーパ部を形成する。したがって、チューブの上流側端部の挿入とテーパ部の形成を同時に行うことが可能となり、簡便な製造工程ながらも、被冷却流体流入口近傍のチューブへの被冷却流体の偏流を抑制することが可能となる。

本発明によれば、小型化が可能で信頼性が高い構成としながらも、被冷却流体の偏流を抑制して破損を防止することができる熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器を示す平面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る熱交換器の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器における温度分布を示す図である。 比較例に係る熱交換器における温度分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の製造方法を説明する断面図である。

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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１乃至図４を参照しながら、熱交換器１０の構成について説明する。熱交換器１０は、車両の内燃機関（不図示）に循環させる冷却水の冷却を行うラジエータである。

熱交換器１０は、熱交換コア部２０と、分配タンク部３０と、集合タンク部４０と、を有している。

熱交換コア部２０は、複数のチューブ２１と、複数のフィン２２とが鉛直方向に交互に積層された積層体によって構成されている。図４では、複数のフィン２２の図示が省略されている。

複数のチューブ２１は、後述する冷却水流入口３１ａ近傍のチューブ２１１と、チューブ２１１よりも冷却水流入口３１ａから離れて位置するチューブ２１２と、を有している。チューブ２１１，２１２は、いずれもその断面は扁平状で、略水平方向に延びるアルミニウム製の管状部材である。図４に示されるように、チューブ２１１，２１２は、冷却水を流すためのチューブ流路２１１ｆ，２１２ｆが内部に形成されている。

フィン２２は、コルゲートフィンであり、アルミニウム製の板材を屈曲させることで形成されている。フィン２２は、隣り合うチューブ２１の間に配置され、チューブ２１の外側面のうち扁平面に接合されている。

複数のチューブ２１及び複数のフィン２２から構成される積層体の積層方向（以下、この方向を単に「積層方向」ともいう）の両端部には、サイドプレート２３が配置され、熱交換コア部２０を補強している。図２に矢印Ｘで示されるように、熱交換コア部２０には積層方向と直交する方向に空気が進入し、複数のチューブ２１及び複数のフィン２２の間を通過するように構成されている。

分配タンク部３０は、熱交換コア部２０の側方に配置されている。分配タンク部３０は、内部に冷却水を流入させる冷却水流入口３１aが形成されたタンク３４と、タンク３４に組み付けられたコアプレート３３を有し、タンク３０の内部には冷却水を流す分配流路３２が形成されている。分配流路３２に連通する開口である冷却水流入口３１ａには、内部に流路を有する管状の冷却水流入管３１が接続されている。

コアプレート３３は、図４に示されるように、複数の貫通孔３３１，３３２が形成されている。貫通孔３３１，３３２は、互いに間隔を空けて積層方向に沿って直線状に配置されている。また、貫通孔３３１，３３２には、複数のチューブ２１の上流側端部２１１ａ，２１２ａが挿入され接続されている。複数のチューブ２１は、分配タンク部３０の分配流路３２に連通するように構成されている。

集合タンク部４０は、熱交換コア部２０の側方であって、熱交換コア部２０を挟んで分配タンク部３０と対向する位置に配置されている。集合タンク部４０は、外部へと冷却水を流出させる冷却水排出口４１ａが形成されたタンク４４と、タンク４４に組み付けられたコアプレート４３とを有する。集合タンク部４０の内部には、冷却水を流す集合流路（不図示）が形成されている。その集合流路に連通する開口である冷却水排出口４１ａには、内部に流路を有する管状の冷却水排出管４１が接続されている。

コアプレート４３には、複数の貫通孔（不図示）が形成されている。当該貫通孔には、複数のチューブ２１の下流側端部が挿入され接合されている。複数のチューブ２１は、集合タンク部４０の集合流路に連通するように構成されている。

続いて、以上のように構成された熱交換器１０における冷却水の流れと、当該冷却水の冷却について説明する。

車両の内燃機関との熱交換を終えて高温になった冷却水は、冷却水流入管３１から熱交換器１０に供給される。当該冷却水は、冷却水流入口３１ａから分配タンク部３０の分配流路３２に流入する。分配タンク部３０の分配流路３２を流れる冷却水は、各チューブ２１１，２１２の上流側端部２１１ａ，２１２ａに流入するように分配される。

分配された冷却水は、チューブ流路２１１ｆ，２１２ｆを集合タンク部４０に向けて流れる。このとき、冷却水は、熱交換コア部２０を通過する空気と、チューブ２１１，２１２の管壁およびフィン２２を介して熱交換を行う。これにより、当該冷却水は熱を放出し、その温度が低下する。

チューブ流路２１１ｆ，２１２ｆを流れ終えた冷却水は、それらの下流側端部から流出し、集合タンク部４０の集合流路において合流する。当該冷却水は、冷却水排出口４１ａから冷却水排出管４１に排出され、再び車両の内燃機関に供給され、その冷却の用に供される。

続いて、図３及び図４を参照しながら、複数のチューブ２１と分配タンク部３０との接続構造について詳述する。

前述したように、複数のチューブ２１は、チューブ２１１と、チューブ２１２と、の２種類のチューブからなる。チューブ２１１は、冷却水流入口３１ａ（図３及び図４では不図示）近傍に４本配置されており、その他のチューブ２１はチューブ２１２とされている。チューブ２１１の上流側端部２１１ａは、チューブ２１１のその他の部位に比べて小さな流路断面積を有しており、チューブ流路２１１ｆの冷却水流れ方向上流側となるにつれて縮径するテーパ部２１１ｃが形成されている。したがって、チューブ２１１の冷却水流れ方向中央部では十分な流路断面積を確保し、熱交換器としての性能を維持しつつ、上流側端部２１１ａの流路断面積を小さくすることを可能としている。

テーパ部２１１ｃは、その内部が区画されない単一の空間となるように形成されている。すなわち、チューブ２１１のうち、少なくともテーパ部２１１の内部には、補強のための内柱等が設けられていない。

さらに、テーパ部２１１ｃは、分配タンク部３０のコアプレート３３に形成された複数の貫通孔３３１に挿入されている。貫通孔３３１は、楕円形で、コアプレート３３を貫通している。

図４に示されるように、貫通孔３３１は、その縁部に、分配流路３２側に突出する環状部３３１ａを有する。この環状部３３１ａは、分配タンク部３０の外部側から内部側にかけて縮径する縮径部３３１ｂが形成されている。縮径部３３１ｂは、テーパ部２１１ｃの外側面と当接しており、両者はろう付けにより互いに固定されている。

一般的に、冷却水流入口３１ａの近傍に設けられるチューブは、冷却水流入口から離れて位置するチューブに比べて冷却水が流入し易い傾向がある。このように、冷却水が特定のチューブに偏って流れることで、チューブごとの温度バラつき、熱膨張量の差異による歪や、それに起因する破損を招くおそれがある。

これに対し、熱交換器１０では、チューブ２１１のテーパ部２１１ｃの流路断面積が、チューブ２１２の上流側端部２１２ａの流路断面積よりも小さいものとされている。これにより、分配流路３２の冷却水がチューブ２１１に流入する際の流路抵抗を増大させるとともに、冷却水のチューブ２１２への指向性を高めることができる。この結果、チューブ２１１への冷却水の偏りを抑制し、チューブ２１１とチューブ２１２とで冷却水の流量の均一化を図ることが可能となる。したがって、冷却水の偏流に起因する歪の発生を抑制し、破損から保護することができる。

続いて、図５を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る熱交換器１０の製造方法について説明する。詳細には、複数のチューブ２１と分配タンク部３０との接続方法について説明する。図５は、図４に相当する断面における断面図である。

まず、平板状のコアプレート３３に対しバーリング加工を施すことにより、貫通孔３３１，３３２を形成する。図５（Ａ）は、バーリング加工後のコアプレート３３を示している。本工程で形成される貫通孔３３１，３３２は、いずれも同形状であり、貫通孔３３１に前述した縮径部３３１ｂはまだ形成されていない。

次の工程では、図５（Ｂ）に示されるように、チューブ２１１の上流側端部２１１ａを貫通孔３３１に挿入するとともに、チューブ２１２の上流側端部２１２ａを貫通孔３３２に挿入する。

さらに次の工程では、図５（Ｂ）に示されるように、環状部３３１ａを、貫通孔３３１に挿入されたチューブ２１１の上流側端部２１１ａとともに外周側から圧縮する。これにより、環状部３３１ａ及び上流側端部２１１ａは内側に向けて塑性変形し、図５（Ｃ）に示されるように、上流側端部２１１ａにテーパ部２１１ｃが形成される。前述したように、テーパ部２１１の内部には補強のための内柱等が設けられておらず、区画されない単一の空間となるように形成されている。したがって、上流側端部２１１ａの変形は比較的容易である。
続いて、上流側端部２１１ａと貫通孔３３１の環状部３３１ａとの間と、上流側端部２１２ａと貫通孔３３２の環状部３３２ａとの間をろう付けすることで、チューブ２１１，２１２をコアプレート３３に対し固定する。

以上のような製造方法によれば、環状部３３１ａとテーパ部２１１ｃとの間に隙間が形成されることを抑制して水密性を高いものとしつつ、冷却水流入口３１ａ近傍のチューブへの冷却水の偏流を抑制することが可能となる。

続いて、図６及び図７を参照しながら、以上のように構成、製造された熱交換器１０と、比較例に係る熱交換器１０Ａにおける温度分布について説明する。図６，７は、それぞれ熱交換器１０，１０Ａの正面図であり、チューブ２１等の図示を省略したものである。

比較例に係る熱交換器１０Ａは、その熱交換コア部２０Ａの構成の点で、本発明に係る熱交換器１０と異なるものである。詳細には、熱交換器１０Ａの熱交換コア部２０Ａを構成するチューブ２１には、すべてチューブ２１２が採用されている。すなわち、熱交換器１０Ａは、熱交換コア部２０Ａを構成するチューブ２１の上流側端部の流路断面積がすべて同一とされている。以下では熱交換器１０Ａのうち、熱交換器１０と同一の機能を有する構成については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

熱交換器１０，１０Ａは、約８０℃の冷却水が、冷却水流入口３１ａから分配タンク部３０に流入する。当該冷却水は、分配タンク部３０から熱交換コア部２０の各チューブ２１に分配され、各チューブ２１を分配タンク部３０側から集合タンク部４０側に向けて流れることにより、その温度が徐々に低下する。

図７に示されるように、比較例に係る熱交換器１０Ａでは、冷却水流入口３１ａ近傍における温度が周囲より極端に高くなることが分かる。すなわち、冷却水流入口３１ａから分配タンク部３０の分配流路３２に流入した高温の冷却水は、冷却水流入口３１ａ近傍のチューブ２１に偏って流れる傾向があるため、当該位置は他の位置に比べて高温となる傾向がある。

このため、熱交換器１０Ａの熱交換コア部２０Ａを構成するチューブ２１は、冷却水流入口３１ａ近傍とその周辺とで熱膨張量に差異が生じ、歪が発生して破損に至るおそれがある。これは、チューブ２１の下流側端部と集合タンク部４０の接続部において顕著にみられる傾向である。

これに対し、本発明に係る熱交換器１０では、図６に示されるように、冷却水流入口３１ａ近傍における温度上昇が抑制されていることが分かる。すなわち、前述したように、
冷却水流入口３１ａ近傍のチューブ２１１において、そのテーパ部２１１ｃの流路断面積をチューブ２１２よりも小さくしたことにより、チューブ２１１への冷却水の偏流が抑制されている様子が分かる。

このため、熱交換器１０の熱交換コア部２０を構成するチューブ２１において、冷却水流入口３１ａ近傍とその周辺とで生じる熱膨張量の差異を抑制することができる。したがって、当該熱膨張量の差異に起因する歪と、破損から熱交換器１０を保護することが可能となる。

次に、図８を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る熱交換器１０の製造方法について説明する。詳細には、複数のチューブ２１と分配タンク部３０との接続方法について説明する。図８は、図４に相当する断面における断面図である。

まず、平板状のコアプレート３３に対しバーリング加工を施すことにより、貫通孔３３１，３３２を形成する。図８（Ａ）は、バーリング加工後のコアプレート３３を示している。本工程で冷却水流入口３１ａ（図８では不図示）近傍に形成される貫通孔３３１は、予め縮径部３３１ｂが形成されている。

次の工程では、図８（Ｂ）に示されるように、チューブ２１１の上流側端部２１１ａを貫通孔３３１に挿入するとともに、チューブ２１２の上流側端部２１２ａを貫通孔３３２に挿入する。このとき、チューブ２１１の上流側端部２１１ａは、貫通孔３３１の縮径部３３１ｂと当接し、挿入に伴って縮径部３３１ｂから内方に圧縮するように力を受ける。これにより、チューブ２１１の上流側端部２１１ａは、内側に向けて塑性変形する。また、上流側端部２１１ａと貫通孔３３１の環状部３３１ａとの間と、上流側端部２１２ａと貫通孔３３２の環状部３３２ａとの間をろう付けすることで、チューブ２１１，２１２をコアプレート３３に対し固定する。

チューブ２１１，２１２をさらに貫通孔３３１，３３２に挿入することにより、図８（Ｃ）に示されるように、チューブ２１１の上流側端部２１１ａにテーパ部２１１ｃが形成される。これにより、チューブ２１１の上流側端部２１１ａの流路断面積を、チューブ２１２の上流側端部２１２ａの流路断面積よりも小さくすることができる。

以上のような製造方法によれば、チューブ２１１の上流側端部２１１ａの挿入とテーパ部２１１ｃの形成を同時に行うことが可能となる。したがって、製造工程を簡便なものとしながらも、冷却水流入口３１ａ近傍のチューブ２１１への冷却水の偏流を抑制することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０ ：熱交換器
２１ ：チューブ
３０ ：分配タンク部
３１ａ：冷却水流入口（被冷却流体流入口）
３２ ：分配流路
３３ ：コアプレート
４０ ：集合タンク部
２１１：チューブ（第１チューブ）
２１１ａ，２１２ａ：上流側端部
２１１ｃ：テーパ部
２１１ｆ，２１２ｆ：チューブ流路
２１２：チューブ（第２チューブ）
３３１，３３２：貫通孔
３３１ａ，３３２ａ：環状部
３３１ｂ：縮径部

Claims (4)

1. 内部を被冷却流体が流れる複数本のチューブ（２１）と、
   内部に被冷却流体を流入させる被冷却流体入口（３１a）が形成されたタンク（３４）と、前記複数本のチューブ（２１）の上流側端部が接続されたコアプレート（３３）とを有する分配タンク部（３０）とを有し、
   前記複数本のチューブのうち第１チューブ（２１１）が前記被冷却流体入口（３１a）の近傍に配され、前記複数本のうち第２チューブ（２１２）が前記第１チューブ（２１１）よりも前記被冷却流体流入口から離れて配され、
   外部を流れる流体と、内部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）の製造方法であって、
   前記分配タンク部の前記コアプレートに、複数の貫通孔（３３１，３３２）を形成する第１の工程と、
   前記各貫通孔の縁部に、前記分配タンク部の内部の分配流路（３２）側に突出する環状部（３３１a）を形成する第２の工程と、
   被冷却流体を流すチューブ流路（２１１ｆ，２１２ｆ）を内部に有する複数のチューブ（２１）の上流側端部（２１１ａ，２１２ａ）を前記貫通孔のそれぞれに挿入する第３の工程と、
   前記第１チューブの上流側端部において縮径し、前記第１チューブの流路断面積を前記第２チューブの流路断面積よりも小さくする第４の工程と、を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記第４の工程において、前記貫通孔に挿入された前記チューブの前記上流側端部を外周側から圧縮することで、前記チューブ流路の被冷却流体流れ方向上流側端部側に向けて縮径するテーパ部（２１１ｃ）を該上流側端部に形成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記第４の工程は、前記第１チューブが挿入された前記貫通孔の縁部に形成された前記環状部を外周側から圧縮することを特徴とする前記請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 外部を流れる流体と、内部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）の製造方法であって、
   内部に被冷却流体を流入させる被冷却流体流入口（３１ａ）及び分配流路（３２）を有する分配タンク部（３０）のコアプレート（３３）に、複数の貫通孔（３３１，３３２）を形成する第１工程であって、前記被冷却流体流入口近傍の前記貫通孔（３３１）に、前記分配タンク部の外部側から内部側にかけて縮径する縮径部（３３１ｂ）を形成する前記第１工程と、
   被冷却流体を流すチューブ流路（２１１ｆ，２１２ｆ）を内部に有する複数のチューブ（２１）を、その上流側端部（２１１ａ，２１２ａ）において前記貫通孔のそれぞれに挿入する第２工程であって、前記被冷却流体流入口近傍の前記貫通孔に挿入する前記チューブ（２１１）の上流側端部（２１１ａ）を、該貫通孔への挿入にともなって前記縮径部と当接させて圧縮することで、該上流側端部に前記チューブ流路の被冷却流体流れ方向中央部に向けて拡径するテーパ部（２１１ｃ）を形成する第２工程と、を有する熱交換器の製造方法。

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