(57)【要約】【課題】  小型・軽量化を図り、かつ、壊食による液体漏れを防止し得る熱交換器熱交換器を提供する。【解決手段】  内部にタンク室１０が形成されたヘッダタンク部材４と、このヘッダタンク部材４接続された入口パイプ６、ヘッダタンク部材４に端部がそれぞれ接続され、当該端部の挿入突出部２ａがタンク室１０内に突出するように積層された複数のチューブ２とを有し、入口パイプ６からタンク室１０へと供給された熱交換媒体が各チューブ２内の流路に分割供給される熱交換器において、少なくとも各チューブ２のうち、入口パイプ６近傍のチューブ２における挿入突出部２ａの寸法を、他の挿入突出部２ａの寸法より長く形成するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にタンク室（１０）が形成されたヘッダタンク部材（４）と、このヘッダタンク部材（４）に接続された入口パイプ（６）と、上記ヘッダタンク部材（４）に端部がそれぞれ接続され、当該端部の挿入突出部（２ａ）が上記タンク室（１０）内に突出するように積層された複数のチューブ（２）とを有し、上記入口パイプ（６）から上記タンク室（１０）へと供給された熱交換媒体が各上記チューブ（２）内の流路（１１）に分割供給される熱交換器において、
少なくとも上記各チューブ（２）のうち、上記入口パイプ（６）近傍のチューブ（２）における上記挿入突出部（２ａ）の寸法（Ｌａ）を、他の挿入突出部（２ａ）の寸法（Ｌａ）より長く形成することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
上記入口パイプ（６）近傍のチューブ（２）における上記挿入突出部（２ａ）の寸法（Ｌａ）が、4.0〔mm〕以上でなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
上記各チューブ（２）は、アルミニウム材でなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換媒体用の流路を形成するチューブが積層されてなる積層型の熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器としては、例えば図５および図６に示すようなものがる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱交換器１は、図５および図６に示すように、積層された複数のチューブ２と、これら隣接するチューブ２、２間に配置された複数の波形フィン３と、複数のチューブ２の上端部および下端部がそれぞれ接続された上方ヘッダタンク部４および下方ヘッダタンク部５と、上方ヘッダタンク部４に接続された入口パイプ６および出口パイプ７とを備えている。
【０００４】
上方および下方ヘッダタンク部４、５は、それぞれヘッダ座板８と、このヘッダ座板８に接合されたタンクカバー部材９とから構成され、内部にタンク室１０（図６参照）が形成されている。そして、各チューブ２の端部がヘッダ座板８の孔８ａに挿入され、挿入された挿入突出部２ａ（図６参照）がタンク室１０内に突出されているとともに、タンクカバー部材９と一体に形成された隔壁９ａ（図５参照）によってタンク室１０をほぼ中央で仕切っている。
【０００５】
次に、かかる熱交換器１における熱交換媒体としての冷却水流れを説明する。入口パイプ６より上方ヘッダタンク部４のタンク室１０に冷却水が流入し、タンク室１０に流入した冷却水は各チューブ２内に形成される後述する流路１１（図７参照）に分割供給される。冷却水は、各チューブ２内の流路１１を上方から下方に流れ、この過程でチューブ２の外部を流れる空気などと熱交換を行う。各チューブ２の流路１１の下方に達した冷却水は、下方ヘッダタンク部５内のタンク室（図示省略する）にそれぞれ流入し、ここでＵターンした後に、出口パイプ７が配設された側の各チューブ２を流通して出口パイプ７より流出されるようになっている。
【特許文献１】特開２０００−２４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、自動車用熱交換器（ヒータコア、ラジエータ等）は小型・軽量化のため、チューブ２などの構成部品にアルミニウム材が用いられ、かつ、図７に示すように、入口パイプ６からチューブ２までの距離Ｌが短く形成される傾向にある。
【０００７】
しかしながら、このように、入口パイプ６からチューブ２までの距離Ｌが短く形成されると、入口パイプ６の近傍に位置するチューブ２には冷却水が激しい勢いで流れ込むようになり、この激しい勢いで流れ込んだ冷却水の流れは、図７におけるＡ−Ａ断面を示す図８に示すようなものとなる。
【０００８】
つまり、チューブ２の上端面２ｂにぶつかる冷却水の流れは、チューブ２の内面に密着するような進路を取らずに内面より少し離れた進路を流れる。このとき、チューブ２の上端面２ｂより下方内面には、流れの剥離領域Ｅ１ができる。
【０００９】
そして、剥離領域Ｅ１を経た流れは、チューブ２の内面に集中的に接触し、その後、チューブ２の内面に密着しつつ流れることになる。このチューブ２の内面より剥離した冷却水が再度接触する領域を再付着領域Ｅ２と呼び、チューブ２の上端面２ｂから再付着領域Ｅ２までの距離Ｌｓは、Ｌｓ＝ｆ（ｄｍｉｎ,ｖｍａｘ,ｔ）より求めることができる。最小流路幅：ｄｍｉｎ、最大流速：ｖｍａｘは、初期流路幅（すなわち、チューブの流路幅）：ｄ０、流速：ｖ０、チューブの厚み：ｔにより一義的に決まる。
【００１０】
以上、説明したように、冷却水がチューブ２に流入すると、図９に示すように、再付着領域Ｅ２（図８参照）となるチューブ２の内面位置のみに集中的に冷却水がぶつかることになる。すると、長年の使用によって再付着領域Ｅ２で冷却水による壊食が発生するおそれがあり、この壊食が進むと、図１０に示すように、貫通孔１２を生成し、チューブ２より水漏れが発生するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、小型・軽量化を図り、かつ、壊食による熱交換媒体漏れを防止し得る熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１にあっては、内部にタンク室が形成されたヘッダタンク部材と、このヘッダタンク部材に接続された入口パイプと、上記ヘッダタンク部材に端部がそれぞれ接続され、当該端部の挿入突出部が上記タンク室内に突出するように積層された複数のチューブとを有し、上記入口パイプから上記タンク室へと供給された熱交換媒体が各上記チューブ内の流路に分割供給される熱交換器において、少なくとも上記各チューブのうち、上記入口パイプ近傍のチューブにおける上記挿入突出部の寸法を、他の挿入突出部の寸法より長く形成するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２にあっては、請求項１に記載の入口パイプ近傍のチューブにおける上記挿入突出部の寸法が、4.0〔mm〕以上でなるようにしたことを特徴としている。
【００１４】
請求項３にあっては、請求項１または２に記載のチューブは、アルミニウム材でなるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、入口パイプ近傍の当該入口パイプから供給される熱交換媒体が激しく流入するチューブにおける挿入突出部が、他の挿入突出部より長く形成されることから、この長く形成された挿入突出部で熱交換媒体に再付着を起こさせ、このチューブにおける挿入突出部より下方への流れが速度を低減されるため、チューブにおける挿入突出部より下方に熱交換媒体の流れの再付着が生じるのを回避でき、この再付着に起因した壊食による熱交換媒体漏れの発生を未然に防ぐことができる。かくして、小型・軽量化を図り、かつ、壊食による熱交換媒体漏れを防止し得る熱交換器を提供することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、入口パイプ近傍のチューブにおける挿入突出部の寸法が、4.0〔mm〕以上でなるため、この挿入突出部における熱交換媒体の流れる上流側に剥離領域を形成させ、当該挿入突出部の下流側に確実に再付着領域を形成することができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加えて、熱交換媒体による壊食が進行し易いアルミニウム製のチューブにおいて、壊食による熱交換媒体漏れを防止することができる。すなわち、チューブがアルミニウム材でなる場合には小型・軽量化に優れ、かつ、熱交換性能に優れている反面、従来例では液体による壊食が進行し易かったが、本発明では壊食による熱交換媒体漏れを防止することができる。これにより、さらに小型・軽量化・熱交換性能に優れ、かつ、壊食による熱交換媒体漏れがない熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳述する。
【００１９】
図１〜図４は、本発明における熱交換器の一実施形態を示し、図１は本発明を適用した熱交換器における入口パイプ近傍のチューブの様子を部分的に断面と透視を用いて示す概略構成図、図２は図１におけるチューブに流入した冷却水の流れを示す断面図、図３は図２におけるチューブが冷却水によって壊食された状態を示す断面図、図４はガイド部の厚みとガイド部の上端面から再付着領域までの距離との関係を示す表である。
【００２０】
本実施形態において熱交換器は、上述した従来の形態とほぼ同様の構成を有し、チューブ２、波形フィン（図示省略する）、上方ヘッダタンク部４、下方ヘッダタンク部（図示省略する）、入口パイプ６および出口パイプ（図示省略する）がともにアルミニウム材を用いて形成されている。
【００２１】
上方タンク部４は、図１および図２に示すように、上述した従来の形態とほぼ同様に、ヘッダ座板８とこのヘッダ座板８に接合されたタンクカバー部材９とから構成され、内部にタンク室１０が形成されているとともに、タンクカバー部材９に入口パイプ６が一体に接続されている。また、各チューブ２は、その端部がヘッダ座板８の孔８ａに挿入され、挿入された端部の挿入突出部２ａがタンク室１０内に突出されている。
【００２２】
かかる構成に加えて、本実施形態の場合、少なくとも入口パイプ６近傍、すなわち入口パイプ６直下のチューブ２と、当該チューブ２の積層方向における前後に隣接したチューブ２の挿入突出部２ａが、他の挿入突出部２ａよりも寸法Ｌａを長く形成されている。
【００２３】
次に、かかる熱交換器における冷却水の流れを説明する。入口パイプ６よりタンク室１０に冷却水が流入し、このタンク室１０に流入した冷却水は、各チューブ２の流路１１に分割供給される。冷却水は、各チューブ２内の流路１１を上方から下方に流れ、この過程で各チューブ２の外部を流れる空気などと熱交換を行う。
【００２４】
そして、各チューブ２の流路１１の下方に達した冷却水は、下方ヘッダタンク部内のタンク室（図示省略する）にそれぞれ流入し、ここでＵターンした後に、出口パイプ７が配設された側の各チューブ２を上方へと流通して出口パイプ７より流出される。
【００２５】
かかる過程にあって、入口パイプ６の近傍に位置するチューブ２の挿入突出部２ａには、冷却水が図２に示すように激しい勢いで流れ込む。このとき、チューブ２の流路１１に直接入り込む流れは、流路１１にスムーズに進入するが、挿入突出部２ａの上端面２ｂにぶつかる流れは、流路１１の内面に密着するような進路を取らずに、当該内面より少し離れた進路を流れ、挿入突出部２ａの上端面２ｂより下方内面に、流れの剥離領域Ｅ１が形成される。
【００２６】
そして、この剥離領域Ｅ１を経た流れは、挿入突出部２ａの内面に集中的に接触し、その後、挿入突出部２ａの内面に密着しつつ流れることになる。このとき、挿入突出部２ａの内面下方には、剥離した冷却水が再度接触する流れの再付着領域Ｅ２が形成される。
【００２７】
そして、図３に示すように、この再付着領域Ｅ２のみに集中的に冷却水がぶつかることになり、当該再付着領域Ｅ２が流れによる衝撃を最も受けるため、長年の使用によって再付着領域Ｅ２に冷却水による壊食が発生して、貫通孔１３を生成する可能性がある。
【００２８】
しかしながら、この貫通孔１３は、チューブ２におけるヘッダ座板８との嵌合部分より上方の挿入突出部２ａに生成されるので、この貫通孔１３による冷却水漏れの問題はなく、逆に中央部は低流速となるため、挿入突出部２ａから下方のチューブ２へと流出される冷却水の流速は低減される。
【００２９】
従って、入口パイプ６直下のチューブ２において、入口パイプ６から供給される激しい勢いの冷却水によるダメージを軽減することができ、チューブ２におけるヘッダ座板８との嵌合部分より下方のチューブ２の流路１１内に冷却水の流れの再付着が生じるのを回避でき、この再付着に起因した壊食による冷却水漏れの発生を未然に防ぐことができる。しかも、本実施形態では、冷却水の流通抵抗を上げるような作用は働かないため、暖房効率を低下させることはない。
【００３０】
ここで、挿入突出部２ａの上端面２ｂから再付着領域Ｅ２までの距離Ｌｓは、Ｌｓ＝ｆ（ｄｍｉｎ,Ｖｍａｘ,ｔ）より求めることができる。最小流路幅ｄｍｉｎ、最大流速Ｖｍａｘは、初期流路幅としての挿入突出部２ａの流路幅ｄｆ、流速Ｖ０、チューブ２の厚みｔにより一義的に決まる。
【００３１】
このチューブ２の厚みｔは、チューブ２に剛性を持たせるためにも1.0〔mm〕以上であることが好ましい。挿入突出部２ａの流路幅ｄｆは、従来の一般的なヒータコアを想定すると、チューブ内径幅1.0〔mm〕、チューブの厚み0.3〔mm〕、チューブ外径幅1.6〔mm〕であり、近年の傾向からチューブの厚みの薄肉化を考慮すると、チューブ２の厚みの理想値は0.15〔mm〕と考えられるから、そのときのチューブ２外径幅は1.3〔mm〕となる。
【００３２】
冷却水の流れの再付着領域Ｅ２を必ず挿入突出部２ａ内に形成させるためには、挿入突出部２ａの寸法Ｌａ（すなわち、高さ）を再付着領域までの距離Ｌｓより大きく設定する必要があり、チューブの厚みｔを0.15〔mm〕〜0.3〔mm〕とすると、チューブ２の厚みｔと挿入突出部２ａの上端面２ｂから再付着領域Ｅ２までの距離Ｌｓとの関係を示した図４から、挿入突出部２ａの寸法Ｌａは4.0〔mm〕以上であることが好ましい。
【００３３】
従来における熱交換器の使用環境では、冷却水の流速はチューブ２の挿入突出部２ａ直前において最大2.0〔m/sec〕となるが、冷却水中に不可避的に混入してくる異物と相俟って液流がチューブ２へ衝撃的な流体として作用する場合は1.0〔m/sec〕以上でもチューブ２に貫通孔１２（図１０参照）が発生するほどの衝撃を与えることが確認されている。よって、挿入突出部２ａにより減速され最終的にチューブ２に流れ込む液流速Ｖｆは、初期流速Ｖ０の最大値が2.0〔m/sec〕であることを考慮すると、初期流速Ｖ０の50〔%〕以下に抑える必要がある。
【００３４】
さらに、本実施形態では、実験結果からチューブ２において入口パイプ６からの冷却水によるダメージが特に大きいのが入口パイプ６の直下およびその両隣１本分の合わせて３本のチューブ２であることが判明したため、前記３本のチューブ２の挿入突出部２ａの寸法Ｌａを他の挿入突出部２ａの寸法Ｌａより長い形状とすることが好ましいと言えよう。
【００３５】
因みに、従来のヒータコアにおいて、入口側のタンク内のチューブ数が１１本、最も流速が速くなるのは入口パイプの直下３本のチューブで、これら３本のチューブにおける流入速度の最大値が2.0〔m/sec〕の場合、他の８本のチューブでは流入速度は0.5〔m/sec〕となる。従って、本実施形態のように、入口パイプの直下およびその両隣１本分の合わせて３本のチューブの挿入突出部の寸法を他の挿入突出部の寸法より長い形状とすることによって、入口パイプ直下の３本のチューブにおける流入速度が0.9〔m/sec〕まで減速されたとすると、他の８本のチューブにおける流入速度は逆に約0.9〔m/sec〕へと加速し、各チューブへの流入速度を均等化することが可能となる利点をえることができる。しかも、この場合、各チューブへの流入速度が均等化されるため、ヒータコアの放熱性能へも好影響を与えることができる。
【００３６】
以上、説明したように、本実施形態によれば、入口パイプ６傍の当該入口パイプ６ら供給される冷却水が激しく流入するチューブ２における挿入突出部２ａが、他の挿入突出部２ａより長く形成されることから、この長く形成された挿入突出部２ａで冷却水に再付着を起こさせ、このチューブ２における挿入突出部２ａより下方への流れが速度を低減されるため、チューブ２における挿入突出部２ａより下方に冷却水の流れの再付着が生じるのを回避でき、この再付着に起因した壊食による冷却水漏れの発生を未然に防ぐことができる。かくして、熱交換器の小型・軽量化を図り、かつ、壊食による冷却水漏れを防止することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、入口パイプ６近傍のチューブ２における挿入突出部２ａの寸法Ｌａが、4.0〔mm〕以上でなるため、この挿入突出部２ａにおける冷却水の流れる上流側に剥離領域Ｅ１を形成させ、当該挿入突出部２ａの下流側に確実に再付着領域Ｅ２を形成することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態によれば、冷却水による壊食が進行し易いアルミニウム製のチューブ２において、壊食による冷却水漏れを防止することができる。すなわち、チューブ２がアルミニウム材でなる場合には小型・軽量化に優れ、かつ、熱交換性能に優れている反面、従来例では液体による壊食が進行し易かったが、本実施形態では壊食による冷却水漏れを防止することができる。これにより、さらに小型・軽量化・熱交換性能に優れ、かつ、壊食による冷却水漏れがない熱交換器を実現することができる。因みに、チューブ２などをアルミニウム材以外で形成した場合においても本発明を適用可能であることは勿論である。
【００３９】
なお、本発明の熱交換器を上述した実施形態を例に取って説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。
【００４０】
例えば、上述した実施形態では、熱交換器を流通する熱交換媒体として冷却水を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、熱交換に供される熱交換媒体であれば、冷却水以外の熱交換媒体も広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態における熱交換器の要部（入口パイプ近傍のチューブに配置された速度低減手段）を部分的に断面と透視を用いて示す概略構成図である。
【図２】図１におけるチューブに流入した冷却水の流れを示す断面図である。
【図３】図２におけるチューブが冷却水によって壊食された状態を示す断面図である。
【図４】ガイド部の厚みとガイド部の上端面から再付着領域までの距離との関係を示す表である。
【図５】従来の熱交換器を正面から見て示す概略構成図である。
【図６】図５の熱交換器におけるヘッダ座板にチューブが挿入された状態を示す斜視図である。
【図７】図５の熱交換器における上方タンク部の入口パイプ付近を拡大して示す斜視図である。
【図８】図５の熱交換器におけるチューブに液体が流入した際の流れのメカニズムの説明に供する部分的断面図である。
【図９】図５の熱交換器におけるチューブに流入した液体の流れを拡大して示す断面図である。
【図１０】図５の熱交換器におけるチューブが液体によって壊食された状態を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  チューブ
２ａ  挿入突出部
４  上方ヘッダタンク部（ヘッダタンク部材）
６  入口パイプ
１０  タンク室
１３  貫通孔
【図１】
2005114281.tif 000003
【図２】
2005114281.tif 000004
【図３】
2005114281.tif 000005
【図４】
2005114281.tif 000006
【図５】
2005114281.tif 000007
【図６】
2005114281.tif 000008
【図７】
2005114281.tif 000009
【図８】
2005114281.tif 000010
【図９】
2005114281.tif 000011
【図１０】
2005114281.tif 000012