(57)【要約】【課題】高温高圧の圧縮空気によるヘッダーの変形や過給器の振動への共振、共鳴を抑えるとともに、圧縮空気の流れの抵抗を最小限に抑え、効率良くコア部へ流すインタークーラのヘッダー構造を提供する。【解決手段】圧縮空気と冷却風との熱交換を行うコア部１と、過給器側に接続される入口パイプ部２ｂとコア部のエンドプレート６に略一致するよう拡開したヘッダー部２ａとを曲面部２ｃで滑らかに連続させてなり、コア部１の風上側に取り付けられ圧縮空気を供給する入口ヘッダー２と、コア部のエンドプレートに略一致するよう拡開したヘッダー部とエンジン側に接続される出口パイプ部とを曲面部で滑らかに連続させてなり、コア部の風下側に取り付けられ圧縮空気を集めてエンジン側へ送出する出口ヘッダーとからなるインタークーラ１０であって、入口ヘッダー２および出口ヘッダーの各曲面部の内部に、圧縮空気の流れ方向に沿う補強板７を一体成形にて架設した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を流通させる中空の扁平チューブと冷却風を流通させるアウターフィンとを交互に多数積層し、両端を一対のエンドプレートで固定してなり、上記圧縮空気と上記冷却風との熱交換を行うコア部と、
過給器側に接続される入口パイプ部と上記エンドプレートに略一致するよう拡開したヘッダー部とを曲面部で滑らかに連続させてなり、上記ヘッダー部で上記エンドプレートに接合して上記コア部に取り付け、上記各扁平チューブに圧縮空気を供給する入口ヘッダーと、
上記エンドプレートに略一致するよう拡開したヘッダー部とエンジン側に接続される出口パイプ部とを曲面部で滑らかに連続させてなり、上記ヘッダー部で上記エンドプレートに接合して上記コア部に取り付け、上記圧縮空気を集めてエンジン側へ送出する出口ヘッダーとからなる車両用インタークーラであって、
上記入口ヘッダーおよび出口ヘッダーの各曲面部の内部に、上記圧縮空気の流れ方向に沿う補強板を一体成形にて架設したことを特徴とする車両用インタークーラ。
【請求項２】
上記補強板を、上記入口ヘッダーの上記入口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて、または上記出口ヘッダーの上記出口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて架設したことを特徴とする請求項１記載のインタークーラ。
【請求項３】
上記補強板のガス流れ方向の縦断面形状を、矩形状、長円形状、または紡錘形状に形成したことを特徴とする請求項１記載の車両用インタークーラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に使用されるインタークーラに関し、特に、インタークーラのヘッダーの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用のインタークーラは、過給器で圧縮されて高温になった圧縮空気が内部を通過する際に、熱交換によって冷却し、エンジンの吸気側へ供給する機能を有している。
図１に示すように、このインタークーラ１０は、冷却風との熱交換によってエンジンの冷却水を冷却するラジエータ１１の冷却風上流側に直列に配設される。
【０００３】
インタークーラ１０は、図２に示すように、多数の中空の扁平チューブ４とアウターフィン５とを積層し、その両端をそれぞれエンドプレート６、６に貫装してなるコア部１を有している。このコア部１では、図２、図７の太矢印に示すように、扁平チューブ４に圧縮空気を流すとともに、アウターフィン５では冷却風をその交差方向に流して、圧縮空気を冷却する。
また、各エンドプレート６、６にはヘッダー２、３が溶接またはかしめにて固定される。
【０００４】
圧縮空気を導入、導出させるためにコア部１の両端に取り付けられるヘッダー２、３は、一般に鉄またはアルミプレス製のものや、アルミ鋳造製または樹脂製のものがあるが、大型トラックに搭載する場合など、圧縮空気が非常に高温、高圧になり大型のインタークーラが必要となる場合には、主にアルミ鋳造製のものが用いられている。
【０００５】
図２、図７に示すように、このヘッダー２、３は、一端をエンドプレート６との取り付け用に拡開して形成したヘッダー部２ａ、３ａとし、他端を管状に形成してパイプ部２ｂ、３ｂとし、ヘッダー部２ａ、３ａからパイプ部２ｂ、３ｂをＲ（曲面）部２ｃ、３ｃで滑らかに連続させたものであり、パイプ部２ｂ、３ｂが一体成形されたものや別体として成形されたものがある。
以下、コア部１の圧縮空気上流側に取り付けられるものを入口ヘッダー２、コア部の圧縮空気下流側に取り付けられるものを出口ヘッダー３と呼ぶことがある。
【０００６】
近年では、排気ガス規制の強化や燃費向上のためにエンジンの過給圧を上げる傾向にあり、それに伴い過給器で圧縮された圧縮空気の温度は上昇している。
高温となった圧縮空気は入口パイプ部２ｂより入口ヘッダー２に流入する。インタークーラの冷却性能の向上およびエンジンの吸気の抵抗低減による燃費向上のためには、インタークーラ内における圧縮空気の抵抗（以下、ガス抵抗という）の低減を図る必要がある。
【０００７】
ガス抵抗の低減を図るため、ヘッダー２、３のパイプ部２ｂ、３ｂからヘッダー部２ａ、３ａまでを曲面状のＲ部２ｃ、３ｃによって滑らかに連続させているものがあるが、その形状によっては、圧縮空気の圧力（１００〜２５０ｋＰａ）により、図７のＢ部に示す範囲のＲ部２ｃ、３ｃおよびヘッダー部２ａ、３ａが膨張して歪みが生じることがある。
これに伴い、エンドプレート６、６とヘッダー２、３との溶接部、エンドプレート６と扁平チューブ４とのろう付け部、ヘッダー２、３などに応力が集中し、亀裂が発生する場合があった。
また、上記のような強度の問題に加え、空気を圧縮する過給器のタービンの振動や過給音によって、インタークーラに共振や共鳴が生じることもあった。
【０００８】
従来では、これらの問題を解決するために、ヘッダー部に接続するパイプ部の端部断面を扁平な長円形とすることで、ヘッダーの厚みを減らして圧縮空気の流音を抑えるとともに、コア部の長さ（扁平チューブの長さ）を長く取ることで冷却性能を向上させることができるインタークーラがあった（特許文献１）。
【０００９】
さらに、パイプ部またはヘッダー部に板状または円柱状の補強部品を設置して剛性を向上させるものがあった。
パイプ部に補強部品を設置する場合には、パイプ部の両平面部を繋ぐようにコア部の前面または背面に対して平行に設置し、ヘッダー部へ設置する場合には、ヘッダーの開口付近の変形を抑えるためにヘッダー部の長辺となる両壁面部を繋ぐようにエンドプレートに対して平行に設置していた。
【００１０】
鋳造の場合には、補強部品をヘッダーと一体に成形するか、別部品として準備してろう付け、溶接、ボルト、ねじ等により固定していた。
この補強部品として、たとえば、ヘッダー部の内部所要箇所に、圧縮空気の拡散方向に対して垂直な有孔仕切板を配置して、内部を区画するものがあった（特許文献２〜４）。これにより、有孔仕切板によって仕切られた各空間部においては、音の発生の原因となる振動は小さいものとなり、ヘッダー全体として騒音の発生を低減することができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−１５９９７１号公報
【特許文献２】実公平６−１２３９０号公報
【特許文献３】特開平６−２０１２９１号公報
【特許文献４】特開平６−２１３５９１号公報
【００１２】
このように、パイプ部またはヘッダー部への補強部品の設置により、ヘッダーの剛性が高くなり、歪みや亀裂、共振、共鳴を抑えることができるが、いずれも圧縮空気の流れに対して垂直に補強部品を設置していたため、ヘッダーのガス抵抗が高くなり、インタークーラの冷却性能を向上させることが困難になるとともに、圧縮空気が通過する際に風切り音が発生していた。
さらに、補強部品を別体に成形してから取り付ける場合、その取り付け工数がかかっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、車両用のインタークーラにおいて、コストアップを抑制しつつ、圧縮空気の高温高圧によるヘッダーの変形や、過給器の振動への共振、共鳴を抑えるとともに、圧縮空気の流れの抵抗を最小限に抑え、効率良くインタークーラのコア部へ流すことのできるインタークーラのヘッダー構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第１の発明は、圧縮空気を流通させる中空の扁平チューブと冷却風を流通させるアウターフィンとを交互に多数積層し、両端を一対のエンドプレートで固定してなり、上記圧縮空気と上記冷却風との熱交換を行うコア部と、過給器側に接続される入口パイプ部と上記エンドプレートに略一致するよう拡開したヘッダー部とを曲面部で滑らかに連続させてなり、上記ヘッダー部で上記エンドプレートに接合して上記コア部に取り付け、上記各扁平チューブに圧縮空気を供給する入口ヘッダーと、上記エンドプレートに略一致するよう拡開したヘッダー部とエンジン側に接続される出口パイプ部とを曲面部で滑らかに連続させてなり、上記ヘッダー部で上記エンドプレートに接合して上記コア部に取り付け、上記圧縮空気を集めてエンジン側へ送出する出口ヘッダーとからなる車両用インタークーラであって、上記入口ヘッダーおよび出口ヘッダーの各曲面部の内部に、上記圧縮空気の流れ方向に沿う補強板を一体成形にて架設したことを特徴とする。
【００１５】
第２の発明は、上記補強板を、上記入口ヘッダーの上記入口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて、または上記出口ヘッダーの上記出口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて架設したことを特徴とする。
【００１６】
第３の発明は、上記補強板のガス流れ方向の縦断面形状を、矩形状、長円形状、または紡錘形状に形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、上記入口ヘッダーおよび出口ヘッダーの各曲面部の内部に、上記圧縮空気の流れ方向に沿う補強板を一体成形にて架設したことにより、ヘッダーの剛性が上がり、圧縮空気の圧力によるヘッダー部の変形を抑えることができるとともに、過給器の振動への共振、共鳴を抑えることができる。また、補強板がヘッダー本体と一体成形されるため、補強板の別部材としての製造および取り付けの工数を削減することができる。
また、高温の圧縮空気が入口ヘッダー内部を通過する際、補強板により流れが分散されるため、圧縮空気を均等に効率良くコア部の各扁平チューブへ流入させることができ、扁平チューブごとの位置による温度分布の差を低減することができる。
【００１８】
また、上記曲面部は圧縮空気の流れがヘッダー壁面に当たって乱れる箇所であるため、第２の発明によれば、上記補強板を、上記入口ヘッダーの上記入口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて、または上記出口ヘッダーの上記出口パイプ部から上記曲面部および上記ヘッダー部にかけて架設したことにより、補強板の設置により新たに圧縮空気の流れに乱れが生じるのを最小限に抑えて、ガス抵抗の増加を小さくすることができ、圧縮空気を効率良くコア部へ流し、冷却性能を向上させることができる。
【００１９】
第３の発明によれば、上記補強板のガス流れ方向の縦断面形状を、矩形状、長円形状、または紡錘形状に形成したことにより、補強板が圧縮空気の流れを妨げない形状となるので、ガス抵抗の増加を抑えることができ、圧縮空気を効率良くコア部へ流入させ、冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用インタークーラの斜視図である。
【図２】同インタークーラの正面図である。
【図３】同インタークーラの側面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】同インタークーラの拡大部分切り欠き斜視図である。
【図６】（ａ）は実施例の、（ｂ）は比較例の共振加速度を測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の車両用インタークーラの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る車両用インタークーラのヘッダー構造について説明する。
図１に示すように、このインタークーラ１０は、圧縮空気と冷却風との熱交換を行うコア部１の両端に、過給器（図示せず）から圧縮空気を導入する入口ヘッダー２と、冷却した圧縮空気をエンジンの吸気系（図示せず）へ導出する出口ヘッダー３とを取り付けてなる。
【００２２】
図２に詳しく示すように、上記コア部１は、圧縮空気を通過させる中空の扁平チューブ４と、板材を曲折してなり冷却風を通過させるアウターフィン５とを交互に積層して、扁平チューブ４の両端を一対のエンドプレート６に貫装し、固定して形成される。
エンドプレート６は矩形状に形成され、扁平チューブ４を貫装するために多数の長孔が穿設されている。
【００２３】
図２、図３に示すように、コア部１の圧縮空気上流側に取り付けられる上記入口ヘッダー２は、エンドプレート６の形状に合わせて拡開したヘッダー部２ａと、このヘッダー部２ａの逆側（過給器側）に形成され過給器からの配管（図示せず）に接続する入口パイプ部２ｂと、このヘッダー部２ａと入口パイプ部２ｂとを曲面で滑らかに繋ぐＲ（曲面）部２ｃとが一体成形されてなり、全体として略漏斗を屈曲させた形状に形成されている。
【００２４】
同様に、コア部１の圧縮空気下流側に取り付けられる上記出口ヘッダー３は、エンドプレート６の形状に合わせて拡開したヘッダー部３ａと、このヘッダー部３ａの逆側（エンジン側）に形成されエンジンへの配管（図示せず）に接続する出口パイプ部３ｂと、このヘッダー部３ａと出口パイプ部３ｂとを曲面で滑らかに繋ぐＲ（曲面）部３ｃとが一体成形されてなり、全体として略漏斗を屈曲させた形状に形成されている。
【００２５】
入口ヘッダー２および出口ヘッダー３において、ヘッダー部２ａ、３ａはエンドプレート６、６の形状に合わせた矩形状の開口を有し、溶接またはかしめにてエンドプレート６、６に接合できるようになっている。
入口パイプ部２ｂおよび出口パイプ部３ｂは円筒状に形成され、それぞれ他の配管に接続できるようになっている。
Ｒ部２ｃ、３ｃは、徐々に拡径するとともに略直角に屈曲しており、入口パイプ部２ｂとヘッダー部２ａとの間、および出口パイプ部３ｃとヘッダー部３ａとの間を、それぞれ滑らかに繋いでいる。
【００２６】
図１から図３の太矢印に示すように、過給器（図示せず）で圧縮されて高温になった圧縮空気は、入口ヘッダー２の入口パイプ部２ｂから流入し、Ｒ部２ｃおよびヘッダー部２ａで拡散されてコア部１の各扁平チューブ４に流れ込む。圧縮空気が各扁平チューブ４を通過する際に、アウターフィン５を交差方向に流れる冷却風との間で熱交換が行われ、冷却される。出口ヘッダー３のヘッダー部３ａおよびＲ部３ｃで合流した圧縮空気は、出口パイプ部３ｂからエンジンの吸気系（図示せず）へ送出される。
【００２７】
図４、図５に示すように、入口ヘッダー２および出口ヘッダー３の内部には、それぞれのＲ部２ｃ、３ｃの外側Ｒ部（略直角に屈曲する箇所の外側の曲面部）と内側Ｒ部（略直角に屈曲する箇所の内側の曲面部）との間に、圧縮空気の流れに沿った補強板７を架設している。
この補強板７の板厚は３〜２０ｍｍ程度が好ましく、図４、図５に示すように、入口パイプ部２ｂまたは出口パイプ部３ｂからＲ部２ｃ、３ｃの略直角に屈曲する箇所の付近までの範囲に延設する。
【００２８】
補強板７の数は、入口ヘッダー２および出口ヘッダー３の大きさや形状に合わせて増加させてもよい。補強板７を２枚以上設置するときは、相互の間に３０ｍｍ以上の間隔を設けて設置する。その際、図３のように放射状の並列配置にすると、図中破線矢印に示すように、圧縮空気が均等に拡散して各扁平チューブ４の流量が均等になり、インタークーラ１０の冷却性能が良好となる。
【００２９】
補強板７をガス流れ方向に切断した縦断面形状は、図５に示す長円形状のほか、矩形状、紡錘形状など、圧縮空気の流れを妨げない形状であればよい。
【００３０】
このような補強板７を具備した入口ヘッダー２および出口ヘッダー３は、アルミ鋳造または樹脂成型により、一体成形することができる。これにより、補強板７を別部品として成形した場合に比べて製造および取り付けの工数を削減することができる。
【００３１】
＜シミュレーション解析による効果の確認＞
コア部１のエンドプレート６に合わせて拡開したヘッダー部２ａと、このヘッダー部２ａと逆側に形成され過給器からの配管に接続される円筒状の入口パイプ部２ｂと、このヘッダー部２ａと入口パイプ部２ｂとを滑らかに繋ぐとともに略直角に屈曲するＲ部２ｃとから構成され、Ｒ部２ｃ内に、圧縮空気の流れに沿った補強板７を一体成形にて架設した入口ヘッダー２を、コア部１の過給器側に取り付け、同様の出口ヘッダー３をコア部１のエンジン側に取り付けてインタークーラを形成し、実施例とした。この実施例においては、図３に示すように、２枚の補強板７、７を入口ヘッダー２の高さ中央付近で上下に配置し、わずかに放射状に並列させた。各補強板７、７の厚みは、入口ヘッダー２の他の部分と略同程度である。
また、入口ヘッダー２および出口ヘッダー３の各Ｒ部に補強板７を設けなかったほかは、実施例に準ずるインタークーラの比較例を用意した。
この実施例および比較例において、応力、共振加速度、ガス抵抗のシミュレーション解析を実施し、効果の確認を行った。
【００３２】
実施例および比較例において、車両走行時の過給圧の圧縮空気をそれぞれに流した場合の、コア部１の扁平チューブ４と入口ヘッダー側エンドプレート６との接合部にかかる応力をシミュレーションによって解析した。
このシミュレーションにおいては、扁平チューブ４の材質をアルミとし、コア部１の中心側で完全に固定されている条件で、入口ヘッダー２の内壁やエンドプレート６など、扁平チューブ４を除く全てのヘッダー内側の面に所定の過給圧の圧力を負荷した場合の、上記の接合部にかかる応力を算出した。
その結果、比較例の上記応力を１００とすると、実施例の上記応力比はおよそ３９となった。すなわち、実施例においては、補強板７の設置によって入口ヘッダー２の剛性が上がり、その変形が抑制された結果、扁平チューブ４とエンドプレート６との接合部にかかる応力が半分以下に低減した。
【００３３】
また、実施例および比較例において、車両走行時に発生する過給器の過給音に対するそれぞれの入口ヘッダー２のＲ部２ｃの共振加速度をシミュレーションによって解析した。
このシミュレーションにおいては、実施例および比較例のそれぞれで入口ヘッダー２の固有振動数を解析し、その共振周波数付近の振動に対し外側Ｒ部に生じる共振加速度を解析した。
その結果、図６に示すように、入口ヘッダー２の共振加速度が最も大きくなる１５００〜２０００Ｈｚの帯域において、比較例の共振加速度が２．４０Ｅ＋０５ｍｍ／ｓ２程度であったのに対し（図５（ｂ））、実施例の共振加速度は１．２０Ｅ＋０５ｍｍ／ｓ２を下回った（図５（ａ））。比較例の共振加速度を１００とすると、実施例の共振加速度比はおよそ４８．７となり、補強板７の設置により共振、共鳴が抑えられた。
【００３４】
また、実施例および比較例において、車両走行時の過給圧の圧縮空気をそれぞれに流した場合のガス抵抗をシミュレーションによって解析した。
このシミュレーションにおいては、入口ヘッダー２に所定の圧力の圧縮空気を流入した場合のガス流れを解析し、また、出口ヘッダー３に所定の圧力の圧縮空気が流出した場合のガス流れを解析した。
その結果、比較例のガス抵抗を１００とすると、実施例のガス抵抗比は１０５程度となり、補強板７の設置によるインタークーラのガス抵抗の増加はわずかであった。
【００３５】
以上のように、本発明の実施形態に係る車両用インタークーラ１０では、入口ヘッダー２および出口ヘッダー３の各Ｒ部２ｃ、３ｃの内面に、圧縮空気の流れに沿う補強板７を架設したことにより、ヘッダー２、３の剛性が上がり、圧縮空気の圧力によるヘッダー部２ａ、３ａの変形を抑えることができるとともに、過給器の振動への共振、共鳴を抑えることができる。
また、補強板７がヘッダー２、３と一体成形されるため、補強板の別部材としての製造および取り付けの工数がかからない。  
また、高温の圧縮空気が入口ヘッダー２内部に流入する際、圧縮空気の流れが曲がる部位の付近で、補強板７により流れが分散されるため、圧縮空気を均等に効率良くコア部１の各扁平チューブ４へ流入させることができ、扁平チューブ４ごとの位置による温度分布の差を低減することができる。
【００３６】
また、Ｒ部２ｃ、３ｃは圧縮空気の流れがヘッダー壁面に当たって乱れる箇所であるため、補強板７を、入口パイプ部２ｂからＲ部２ｃおよびヘッダー部２ａにかけて、または出口パイプ部３ｂからＲ部３ｃおよびヘッダー部３ａにかけて架設したことにより、補強板７の設置によって新たに圧縮空気の流れに乱れが生じるのを最小限に抑えて、ガス抵抗の増加を小さくすることができ、圧縮空気を効率良くコア部１へ流し、熱交換性能を向上させることができる。
【００３７】
また、補強板７のガス流れ方向の縦断面形状を、矩形、長円形、または紡錘形に形成したことにより、補強板７が圧縮空気の流れを妨げない形状となるので、ガス抵抗の増加を抑えることができ、圧縮空気を効率良くコア部１へ流入させ、冷却性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  コア部
２  （入口）ヘッダー
２ａ  ヘッダー部
２ｂ  （入口）パイプ部
２ｃ  Ｒ部
３  （出口）ヘッダー
３ａ  ヘッダー部
３ｂ  （出口）パイプ部
３ｃ  Ｒ部
４  扁平チューブ
５  アウターフィン
６  エンドプレート
７  補強板
１０  インタークーラ
１１  ラジエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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