JP6040853B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、内燃機関（エンジン）に供給される燃焼用の空気（吸気）を冷却するインタークーラに適用して有効である。

従来、内部を吸気が流通するとともに、外部を冷却媒体が流通する複数のチューブを積層して構成されたコア部と、複数のチューブの両端部に接続されるとともに、複数のチューブを流れる吸気の集合あるいは分配を行うタンク部とを備えるインタークーラが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のインタークーラでは、コア部を覆うように設けられたケース内を冷却水が流通するように構成されている。

上述した構成のインタークーラでは、チューブ内を吸気が流通する構成のため、吸気の圧力損失が増大してしまう。このため、チューブの流路断面積を拡大する必要があり、インタークーラの体格が大型化するという問題があった。また、ケース内を冷却水が流通する構成のため、冷却水が成り行きで流れることとなり、熱交換性能を向上させることができないという問題があった。

これに対し、コア部として、一対の板状部材同士を最中合わせ状に接合することによってチューブおよびこのチューブに連通するタンク部が形成されるプレート部材を、アウターフィンを介在させながら、複数枚積層配置して構成した、いわゆるドロンカップ型の熱交換器構造を採用したインタークーラが開示されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載のインタークーラでは、冷却水はチューブ内部を流通する。また、吸気は、チューブ外部、より詳細には、コア部を覆うように設けられたケース内を流通する。

上述した構成のインタークーラでは、チューブ内を冷却水が流通する構成のため、吸気の圧力損失が増大することを抑制できる。さらに、チューブにより冷却水流路が構成されるので、熱交換性能を向上させることができる。

欧州特許出願公開第１７０７９１１号明細書 欧州特許出願公開第２０６４５０６号明細書

ところで、上記特許文献２に記載のインタークーラでは、コア部における吸気流れ方向の両端部に、吸気が流通する吸気ダクトを接続するための接続プレートがろう付けされている。

ここで、コア部は、プレート部材とアウターフィンとを積層して仮組み付けした仮組み付け体を、プレート部材の積層方向の外側から治具により押さえられた状態で加熱炉へ投入することにより、一体ろう付けが行われる。このため、接続プレートとコア部との間に隙間ができてしまい、良好なろう付けが困難である。

また、ドロンカップ型の熱交換器構造では、プレート部材におけるチューブ部分の板厚とタンク部部分の板厚とが同一になる。タンク部部分の耐圧性を確保するためにプレート部材の板厚が規定されるため、チューブ部分の板厚を薄くして熱交換性能の向上を図ることができない。

本発明は上記点に鑑みて、部品相互間のろう付け性を向上させつつ、熱交換性能を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、気体である第１流体と第１流体より低温の液体である第２流体との間で熱交換を行うことで、第１流体を冷却する熱交換器において、内部を第２流体が流通するとともに、外部を第１流体が流通する複数のチューブ（１）を積層して構成されたコア部（３）と、複数のチューブ（１）の少なくとも一方の端部に接続されるとともに、複数のチューブ（１）を流れる第２流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）と、コア部（３）を覆うように配置されるとともに、第１流体が流通する第１流体流路を形成する第１流体流路形成部材（５）とを備え、第１流体流路形成部材（５）は、タンク部（４）に接合されており、第１流体流路形成部材（５）は、第１部材（５１）および第２部材（５２）を組み合わせて接合することにより構成されており、第１部材（５１）および第２部材（５２）は、それぞれ、第１流体流路内における第１流体の流れ方向に対して略直交する面である底面（５ａ）を有しており、底面（５ａ）には、第１流体流路に第１流体を流出入させる開口部（５ｃ）が形成されており、開口部（５ｃ）には、第１流体が流通する接続流路を形成する接続流路形成部材（６）が接続されており、開口部（５ｃ）は、第１部材（５１）と第２部材（５２）との接合部（５００）とは異なる部位に位置し、接続流路形成部材（６）は、第１部材（５１）および第２部材（５２）における前記開口部（５ｃ）の周縁部にカシメ固定されていることを特徴とする。

これによれば、内部を第２流体が流通するとともに、外部を第１流体が流通する複数のチューブ（１）を積層して構成されたコア部（３）と、複数のチューブ（１）の少なくとも一方の端部に接続されるとともに、複数のチューブ（１）を流れる第２流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）とを設けることで、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換部を、タンクアンドチューブ型の熱交換器として構成することができる。

これにより、第１流体がチューブ（１）の外側を流れるので、第１流体の圧力損失が上昇することを抑制できる。また、第２流体はチューブ（１）内を流れるので、第２流体の流路を規定することができる。また、タンク部（４）とチューブ（１）とが別の部材により構成されるので、チューブ（１）の板厚を薄くすることができる。したがって、第１流体と第２流体との熱交換性能を向上させることが可能となる。

ところで、第１部材（５１）と第２部材（５２）との接合部（５００）と開口部（５ｃ）が同じ部位に位置している場合、第１部材（５１）および第２部材（５２）に加えて開口部（５ｃ）に接続される接続流路形成部材（６）の合計３つの部材を一箇所で接合することになる。このため、第１部材（５１）、第２部材（５２）および接続流路形成部材（６）間の接合部のいずれかに隙間が生じてしまい、良好なろう付けを行うことができない可能性がある。

これに対し、開口部（５ｃ）を、第１部材（５１）と第２部材（５２）との接合部（５００）とは異なる部位に位置させることで、接続流路形成部材（６）と開口部（５ｃ）（つまり第１部材（５１）および第２部材（５２））との間、および、第１部材（５１）と第２部材（５２）との接合部（５００）に、それぞれ隙間が生じることを抑制できる。したがって、第１部材（５１）、第２部材（５２）および接続流路形成部材（６）の相互間のろう付け性を向上させることが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係るインタークーラを示す斜視図である。 第１実施形態に係るインタークーラを示す分解斜視図である。 第１実施形態に係るインタークーラを示す断面図である。 第１実施形態における接続プレート近傍を示す拡大断面図である。 第２実施形態に係るインタークーラを示す断面図である。 第３実施形態に係るインタークーラを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の熱交換器を、内燃機関の吸気と冷却流体（例えば、水）とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラに適用したものである。ここで、気体である吸気が本発明の第１流体に相当し、吸気より低温の液体である冷却流体が本発明の第２流体に相当している。なお、図２では、後述するフィン２の図示を省略している。

図１〜図３に示すように、本実施形態のインタークーラは、内部に冷却流体を流通させる複数本のチューブ１、この複数本のチューブ１の両端側に配置されてそれぞれのチューブ１を流通する冷却流体の集合あるいは分配を行うタンク部４等を有する、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器として構成されている。

具体的には、インタークーラは、内部に冷却流体が流通するとともに、外部に吸気が流通するチューブ１を複数備えている。チューブ１は、吸気の流れ方向（以下、吸気流れ方向という）が長径方向と一致するように、長手方向垂直断面の形状が扁平な長円形状（扁平形状）に形成されている。

複数のチューブ１は、吸気の流れに直交する方向に列をなすように配置されている。さらに、複数のチューブ１は、吸気の流れ方向に沿って二列をなすように配置されている。つまり、複数のチューブ１は、吸気流れ方向の上流側に位置する上流列と、上流列より下流側に位置する下流列とを形成するように配置されている。

また、チューブ１は、チューブ１における冷却流体が流通する流体通路を挟んで対向する二つの扁平面を有している。チューブ１の両側の扁平面には、波状に成形された伝熱部材としてのフィン２が接合されている。このフィン２により空気との伝熱面積を増大させて冷却水と空気との熱交換を促進している。なお、以下、チューブ１およびフィン２からなる略矩形状の熱交換部をコア部３と呼ぶ。

本実施形態のチューブ１は、一枚の金属製（例えば、アルミニウム製）の板状部材を折り曲げてその端部同士を接合することにより形成されている。チューブ１の内面および外面には、犠牲材が設けられている。

タンク部４は、チューブ１の長手方向（以下、チューブ長手方向という）の両端部にてチューブ長手方向と直交する方向に延びて複数のチューブ１と連通するものである。タンク部４は、チューブ１が挿入接合されたコアプレート４ａと、コアプレート４ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体部４ｂとを有して構成されている。

ここで、二つのタンク部４のうち、鉛直方向上方側に配置されるものを第１タンク部４１といい、鉛直方向下方側に配置されるものを第２タンク部４２という。

第１タンク部４１の内部（コアプレート４ａとタンク本体部４ｂとの間）には、タンク内空間を吸気流れ方向に二つに仕切るセパレータ４ｃが設けられている。ここで、セパレータ４ｃに仕切られた二つのタンク内空間のうち、吸気流れ下流側に位置する空間を第１空間といい、吸気流れ下流側に位置する空間を第２空間という。

第１空間は、複数のチューブ１のうち下流列に属するチューブ１と連通しており、当該下流列に属するチューブ１に冷却水を分流する。第２空間は、複数のチューブ１のうち上流列に属するチューブ１と連通しており、当該上流列側に属するチューブ１から流出する冷却流体を集合させる。

第１タンク部４１のタンク本体部４ｂには、冷却流体を第１空間に流入させる入口パイプ４ｄと、吸気との熱交換により加熱された冷却流体を外部へ流出させる出口パイプ４ｅとが設けられている。

第２タンク部４２は、下流列に属するチューブ１から流出した冷却流体を集合させるとともに、集合した冷却水を上流列に属するチューブ１に分流する。また、第２タンク部４２の内部、つまりコアプレート４ａとタンク本体部４ｂとの間には、チューブ１の積層方向（以下、チューブ積層方向という）に対して略直交する方向に延びて第２タンク部４２を補強する補強プレート４ｆが複数（本実施形態では二つ）設けられている。

二つのタンク部４（第１タンク部４１および第２タンク部４２）を上述のように構成することにより、インタークーラにおいて、冷却流体の流れがＵターンする。

コア部３のチューブ積層方向両端部には、チューブ１１に対して略平行に延びてコア部３を補強するサイドプレート３０が設けられている。このサイドプレート３０のうちコア部３側の面はフィン２にろう付けされ、長手方向両端部はタンク部４のコアプレート４ａにろう付けされている。

コア部３の外側には、コア部３を覆うように配置されるとともに、吸気が流通する吸気流路を形成する吸気流路形成部材５が設けられている。この吸気流路形成部材５は、第１部材である第１プレート５１と第２部材である第２プレート５２を組み合わせて接合することにより構成されている。

第１プレート５１および第２プレート５２は、チューブ１、フィン２およびタンク部４等の他の構成部品と同様の材料（本例では、アルミニウム）により構成されている。なお、第１プレート５１および第２プレート５２の構成材料として、アルミニウム製の芯材の少なくとも一方の面にろう材がクラッドされたクラッド材を採用することで、ろう材の使用量を低減することができる。

吸気流路形成部材５、つまり第１プレート５１および第２プレート５２は、チューブ長手方向の両端部において、タンク部４のコアプレート４ａにろう付け接合されている。

本実施形態では、第１プレート５１および第２プレート５２は、ほぼ同等の形状に形成されている。具体的には、第１プレート５１および第２プレート５２は、それぞれ、吸気流れ方向に対して略直交する底面５ａと、当該底面５ａにおけるチューブ積層方向の両端部から底面５ａに対して略直交する方向に突出して吸気流れ方向と略平行に延びる一対の側面５ｂとを有する断面略コの字状に形成されている。側面５ｂは、サイドプレート３０にろう付け接合されている。

第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの底面５ａには、吸気流路形成部材５内の吸気流路に吸気を流出入させる開口部５ｃが形成されている。本実施形態では、開口部５ｃは、底面５ａのほぼ全面に亘って形成されている。また、開口部５ｃの外周縁部には、コア部３と反対側へ向かって延びる壁部５ｄが設けられている。

壁部５ｄの内面（開口部５ｃ側の面）は、コアプレート４ａのチューブ長手方向内側の面と略同一平面上に配置されている。これにより、開口部５ｃとコア部３との間に段差が生じないので、開口部５ｃとコア部３との間に異物が溜まることを抑制できる。

図２および図４に示すように、第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの開口部５ｃには、インタークーラの吸気流路と吸気ダクト６とを接続するための接続プレート７が接合されている。つまり、第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの開口部５ｃには、接続プレート７を介して吸気ダクト６が接続されている。

接続プレート７には、吸気ダクト６の突起状端部６ａが挿入される断面略矩形状の溝部７ａが設けられている。溝部７ａは、コア部３と反対側に開口するように、接続プレート７の全周にわたって形成されている。

より詳細には、溝部７ａは、三つの面で形成されている。すなわち、吸気流れ方向に延びるとともに第１プレート５１および第２プレート５２の壁部５ｄに接合される内側壁部７ｂと、内側壁部７ｂからチューブ積層方向外側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ積層方向に延びる底部７ｃと、底部７ｃからコア部３と反対側に向かって略直角に折り曲げられて吸気流れ方向に延びる外側壁部７ｄとによって溝部７ａが形成されている。

接続プレート７には、カシメ用爪部７ｅが複数設けられている。カシメ用爪部７ｅは、外側壁部７ｄから吸気ダクト６側に突出するように形成されている。そして、このカシメ用爪部７ｅを吸気ダクト６の突起状端部６ａにカシメ固定することによって、吸気ダクト６は接続プレート７に組み付けられている。なお、カシメ用爪部７ｅが、本発明のカシメ部に相当している。

接続プレート７の溝部７ａの底部７ｃと吸気ダクト６の突起状端部６ａとの間には、シール部材としてのＯリング８が狭持されている。Ｏリング８は、底部７ｃと突起状端部６ａとの間を密閉して、吸気が外部に洩れることを抑制する。

上記のように構成された第１プレート５１および第２プレート５２の側面５ｂ同士を接合することにより、断面矩形状の吸気流路形成部材５が形成されている。

ここで、上述したように、第１プレート５１および第２プレート５２は、双方ともに断面略コの字状に形成されているので、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００は、吸気流路形成部材５における吸気流れ方向の略中央部に配置されている。一方、開口部５ｃは、第１プレート５１および第２プレート５２それぞれの底面５ａ、つまり吸気流路形成部材５における吸気流れ方向の外側に配置されている。したがって、開口部５ｃは、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００とは異なる部位に位置している。

以上説明したように、内部を冷却流体が流通するとともに、外部を吸気が流通する複数のチューブ１を積層して構成されたコア部３と、複数のチューブ１を流れる冷却流体の集合あるいは分配を行うタンク部４とを設けることで、吸気と冷却流体とを熱交換させる熱交換部を、タンクアンドチューブ型の熱交換器として構成することができる。

これにより、吸気がチューブ１の外側を流れるので、吸気の圧力損失が上昇することを抑制できる。また、冷却流体はチューブ１内を流れるので、冷却流体の流路を規定することができる。また、タンク部４とチューブ１とが別の部材により構成されるので、チューブ１の板厚を薄くすることができる。したがって、吸気と冷却流体との熱交換性能を向上させることが可能となる。

また、吸気流路形成部材５において、開口部５ｃを、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００とは異なる部位に位置させることで、吸気ダクト６と開口部５ｃとの間、および、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００に、それぞれ隙間が生じることを抑制できる。したがって、第１プレート５１、第２プレート５２および吸気ダクト６の相互間のろう付け性を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１プレート５１および第２プレート５２の構成が異なるものである。

図５に示すように、本実施形態の第１プレート５１および第２プレート５２は、それぞれ、断面略Ｌ字状に形成されている。そして、チューブ長手方向（紙面垂直方向）に直交する断面において、第１プレート５１の長辺と第２プレート５２の短辺とが接合されているとともに、第１プレート５１の短辺と第２プレート５２の長辺とが接合されている。

具体的には、第１プレート５１は、底面５ａにおけるチューブ積層方向一端部（図５の上側端部）に側面５ｂが接続されているとともに、底面５ａにおけるチューブ積層方向他端部（図５の下側端部）には側面５ｂが接続されていない形状に形成されている。第２プレート５２は、底面５ａにおけるチューブ積層方向他端部に側面５ｂが接続されているとともに、底面５ａにおけるチューブ積層方向一端部には側面５ｂが接続されていない形状に形成されている。

また、第１プレート５１は、側面５ｂにおける底面５ａとの接続部と反対側の端部（図５の右側端部）からチューブ積層方向内側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ積層方向に延びる接続面５ｅを有している。この第１プレート５１の接続面５ｅのチューブ積層方向の長さは、第２プレート５２の底面５ａのチューブ積層方向の長さよりも短くなっている。

また、第２プレート５２は、側面５ｂにおける底面５ａとの接続部と反対側の端部（図５の左側端部）からチューブ積層方向内側に向かって略直角に折り曲げられてチューブ積層方向に延びる接続面５ｅを有している。この第２プレート５２の接続面５ｅのチューブ積層方向の長さは、第１プレート５２の底面５ａのチューブ積層方向の長さよりも短くなっている。

上記のように構成された第１プレート５１の接続面５ｅと第２プレート５２の底面５ａとを接合するとともに、第２プレート５２の接続面５ｅと第１プレート５１の底面５ａとを接合することで、断面矩形状の吸気流路形成部材５が形成されている。

このとき、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００は、吸気流路形成部材５におけるチューブ積層方向外側に配置されている。一方、開口部５ｃは、吸気流路形成部材５におけるチューブ積層方向略中央部に配置されている。したがって、開口部５ｃは、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００とは異なる部位に位置している。したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１プレート５１および第２プレート５２の構成が異なるものである。

図６に示すように、第１プレート５１は、底面５ａおよび一対の側面５ｂを有する断面略コの字状に形成されている。本実施形態では、第１プレート５１の側面５ｂの吸気流れ方向の長さは、コア部３の吸気流れ方向の長さよりも長くなっている。

また、本実施形態の第２プレート５２は、断面略Ｉ字状に形成されている。つまり、第２プレート５２は、吸気流れ方向に略直交する平面である底面５ａを有しているが、側面５ｂを有していない。

このように構成された第１プレート５１の側面５ｂと第２プレート５２の底面５ａのチューブ積層方向外側端部とを接合することで、断面矩形状の吸気流路形成部材５が形成されている。

このとき、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００は、吸気流路形成部材５におけるチューブ積層方向外側に配置されている。一方、開口部５ｃは、吸気流路形成部材５におけるチューブ積層方向略中央部に配置されている。したがって、開口部５ｃは、第１プレート５１と第２プレート５２との接合部５００とは異なる部位に位置している。したがって、本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、第１プレート５１および第２プレート５２の開口部５ｃに、接続プレート７を接続するとともに、この接続プレート７に吸気ダクト６をカシメ固定するためのカシメ用爪部７ｅを形成した例について説明したが、吸気ダクト６をカシメ固定するための固定構造はこれに限定されない。例えば、第１プレート５１および第２プレート５２の開口部５ｃの周縁部に、吸気ダクト６をカシメ固定するためのカシメ用爪部を直接形成してもよい。

（２）上記実施形態では、吸気が流通する接続流路を形成する接続流路形成部材として、吸気ダクト６を、第１プレート５１および第２プレート５２の開口部５ｃに接続した例について説明したが、接続流路形成部材はこれに限定されない。例えば、接続流路形成部材として、複数本のチューブ１に対して冷却流体の分配および集合を行う吸気タンクを採用してもよい。

（３）上記実施形態では、インタークーラにおいて、冷却流体の流れがＵターンするように構成した例について説明したが、これに限らず、冷却流体の流れがターンしないように構成してもよいし、冷却流体の流れがＷターンする（３回Ｕターンする）ように構成してもよい。

１ チューブ
３ コア部
４ タンク部
５ 吸気流路形成部材（第１流体流路形成部材）
５ａ 底面
５ｃ 開口部
６ 吸気ダクト（接続流路形成部材）
５１ 第１プレート（第１部材）
５２ 第２プレート（第２部材）
５００ 接合部

Claims (3)

1. 気体である第１流体と前記第１流体より低温の液体である第２流体との間で熱交換を行うことで、前記第１流体を冷却する熱交換器であって、
   内部を前記第２流体が流通するとともに、外部を前記第１流体が流通する複数のチューブ（１）を積層して構成されたコア部（３）と、
   前記複数のチューブ（１）の少なくとも一方の端部に接続されるとともに、前記複数のチューブ（１）を流れる前記第２流体の集合あるいは分配を行うタンク部（４）と、
   前記コア部（３）を覆うように配置されるとともに、前記第１流体が流通する第１流体流路を形成する第１流体流路形成部材（５）とを備え、
   前記第１流体流路形成部材（５）は、前記タンク部（４）に接合されており、
   前記第１流体流路形成部材（５）は、第１部材（５１）および第２部材（５２）を組み合わせてろう付けすることにより構成されており、
   前記第１部材（５１）および前記第２部材（５２）は、それぞれ、前記第１流体流路内における前記第１流体の流れ方向に対して略直交する面である底面（５ａ）を有しており、
   前記底面（５ａ）には、前記第１流体流路に前記第１流体を流出入させる開口部（５ｃ）が形成されており、
   前記開口部（５ｃ）には、前記第１流体が流通する接続流路を形成する接続流路形成部材（６）が接続されており、
   前記開口部（５ｃ）は、前記第１部材（５１）と前記第２部材（５２）との接合部（５００）とは異なる部位に位置し、
   前記接続流路形成部材（６）は、前記第１部材（５１）および前記第２部材（５２）における前記開口部（５ｃ）の周縁部にカシメ固定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記開口部（５ｃ）には、前記接続流路形成部材（６）をカシメ固定するためのカシメ部（７ｅ）が形成された接続プレート（７）が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記接続プレート（７）には、前記接続流路形成部材（６）の端部（６ａ）が挿入される溝部（７ａ）が設けられており、
   前記溝部（７ａ）には、弾性変形可能なシール部材（８）が配置されており、
   前記接続プレート（７）の前記溝部（７ａ）と前記接続流路形成部材（６）の前記端部（６ａ）との間に前記シール部材（８）が挟まれた状態で、前記接続流路形成部材（６）が前記接続プレート（７）にカシメ固定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

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