(57)【要約】【課題】生産性の悪化を招くことなく、ろう付け性を向上させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】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およびフィン２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コアプレート４ａと、コア部３およびコアプレート４ａ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とを設ける。チューブ１とフィン２の間、チューブ１とコアプレート４ａの間、コアプレート４ａと第１流体流路形成部材５の間は、それぞれろう付けにより接合されており、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率を１１．３％以上とする。【選択図】図５
2016145662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
外部を前記第１流体が流通し、内部を前記第２流体が流通する複数のチューブ（１）およびフィン（２）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コアプレート（４ａ）と、
前記コア部（３）および前記コアプレート（４ａ）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、
前記チューブ（１）と前記フィン（２）の間、前記チューブ（１）と前記コアプレート（４ａ）の間、前記コアプレート（４ａ）と前記第１流体流路形成部材（５）の間は、それぞれろう付けにより接合されており、
前記コアプレート（４ａ）に塗布されるろう材のＳｉ含有率が１１．３％以上であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記コアプレート（４ａ）は、板厚が１．２５ｍｍ以下であ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】
前記コアプレート（４ａ）に塗布されるろう材のクラッド率は、前記コアプレート（４ａ）の板厚の１０％以下であ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。
【請求項４】
外部を気体である第１流体が流通し、内部を前記第１流体より低温の液体である第２流体が流通する複数のチューブ（１）およびフィン（２）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コアプレート（４ａ）と、前記コア部（３）および前記コアプレート（４ａ）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）とを備える熱交換器の製造方法であって、
少なくとも、前記チューブ（１）と、前記フィン（２）と、前記コアプレート（４ａ）と、前記第１流体流路形成部材（５）とを仮組み付けする組み付け工程と、
前記チューブ（１）と前記フィン（２）の間、前記チューブ（１）と前記コアプレート（４ａ）の間、前記コアプレート（４ａ）と前記第１流体流路形成部材（５）の間を、それぞれろう付けにより接合する接合工程とを備え、
前記接合工程では、水平に配置された前記第１流体流路形成部材（５）の板面（５ｂ）上で前記コアプレート（４ａ）が垂直に配置され、前記チューブ（１）が水平に配置された状態でろう付けが行われ、さらに前記コアプレート（４ａ）に塗布されているろう材のＳｉ含有率が１１．３％以上であることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器およびその製造方法に関するもので、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。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷却水が流通する複数のチューブと複数のフィンとが積層されたコア部と、タンク本体部と複数のチューブの端部に設けられたコアプレートとからなるタンク部と、コア部を覆うように設けられ、吸気が流通する吸気流路形成部材とを備えるインタークーラが知られている（特許文献１参照）。このインタークーラでは、各構成部品を仮組み付けした状態で加熱炉へ投入することにより一体ろう付けされ、チューブとフィン、チューブとコアプレート、コアプレートと吸気流路形成部材が、それぞれろう付けにより接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２１４９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載のインタークーラでは、コアプレートが流路形成部材の内部で垂直に配置され、コアプレートに挿入されたチューブが水平に配置されたろう付け姿勢でろう付けが行われる。このため、下方に位置する流路形成部材の板面上にろう材が貯留されやすく、コアプレートとチューブとの接合部やチューブとフィンとの接合部に形成されるフィレットよりも、流路形成部材とコアプレートとの接合部に形成されるフィレットの方が大きくなる。
【０００５】
このようにフィレットの異なる接合部がろう材を介して繋がっている場合には、ヤング・ラプラスの式に従って、フィレットが大きな接合部からフィレットが小さい接合部にろう材が移動する。つまり、流路形成部材とコアプレートとの接合部のろう材がコアプレート表面のろう材を介して、チューブおよびフィンに移動することとなる。この結果、コアプレートとチューブとの接合部にろう材が過剰に供給され、ろう材に含まれるＳｉの作用によって、エロージョン（溶食）やディソリューション（溶解溝）が発生し、製品強度の低下を招くおそれがある。
【０００６】
このような問題に対し、ろう付け時のコンベア速度を低下させ、コア部を均熱化することでフィレットの大きさのばらつきを低減させ、ろう材移動を抑制することが考えられるが、コンベア速度を低下させることによって生産性の悪化を招いてしまう。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、生産性の悪化を招くことなく、ろう付け性を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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であって、
外部を第１流体が流通し、内部を第２流体が流通する複数のチューブ（１）およびフィン（２）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コアプレート（４ａ）と、コア部（３）およびコアプレート（４ａ）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、
チューブ（１）とフィン（２）の間、チューブ（１）とコアプレート（４ａ）の間、コアプレート（４ａ）と第１流体流路形成部材（５）の間は、それぞれろう付けにより接合されており、コアプレート（４ａ）に塗布されるろう材のＳｉ含有率が１１．３％以上であることを特徴としている。
【０００９】
これによれば、生産性の悪化を招くことなく、ろう付け時に第１流体流路形成部材（５）上に貯留されたろう材が、コアプレート（４ａ）の表面に残存するろう材の膜を介してチューブ（１）やフィン（２）に移動することを抑制でき、エロージョンやディソリューションの発生を抑制できる。この結果、ろう付け時のコンベア速度を低下させることなく、ろう付け性を向上させることができる。
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るインタークーラを示す斜視図である。
【図２】インタークーラを示す分解斜視図である。
【図３】タンク側から見たインタークーラを示す断面図である。
【図４】インタークーラのろう付け姿勢を示す説明図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】ろう付け後のコアプレートとダクティングプレートの接合部を示す説明図である。
【図７】ろう付け後のコアプレートとチューブの接合部を示す説明図である。
【図８】ろう材のＳｉ含有率を変化させた場合のコアプレートとチューブとの接合部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について図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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。なお、図１〜図３では、図中左側から右側に向かう方向が吸気流れ方向となっている。
【００１５】
複数のチューブ１は、吸気流れ方向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。
【００１６】
また、チューブ１は、冷却流体が流通する流体通路を形成する管状部材であり、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が接合されており、複数のチューブ１と複数のフィン２が交互に積層されている。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。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、複数のチューブ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。
【００１９】
ここで、チューブ１の両端に設けられる二つのタンク部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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、本実施形態のインタークーラでは、冷却流体の流れがＵターンする。
【００２５】
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、コア部３と反対側の面は後述の吸気流路形成部材５にろう付けされている。
【００２６】
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ダクティングプレート５１と第２部材である第２ダクティングプレート５２を組み合わせて接合することにより構成されている。
【００２７】
第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート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。吸気流路形成部材５を構成する第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート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。
【００２８】
本実施形態では、第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート５２は、ほぼ同等の形状に形成されている。具体的には、第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート５２は、それぞれ、吸気流れ方向に対して略直交する第１板面５ａと、当該第１板面５ａにおけるチューブ積層方向の両端部から第１板面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第２板面５ｂとを有する断面略コの字状に形成されている。第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート５２の第２板面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。また、第２板面５ｂは、サイドプレート３０にろう付け接合されている。
【００２９】
第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート５２それぞれの第１板面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、第１板面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。
【００３０】
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。
【００３１】
第１ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート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ダクティングプレート５１および第２ダクティングプレート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。
【００３２】
上記構成のインタークーラは、各構成部品を仮組み付けした状態で加熱炉へ投入することにより一体ろう付けされる。本実施形態では、Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ共晶系合金からなるろう材が用いられている。また、チューブ１、コアプレート４ａ、ダクティングプレート５１、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が採用されている。なお、本実施形態では、コアプレート４ａの板厚は１．２５ｍｍとなっており、コアプレート４ａに塗布されるろう材のクラッド率はコアプレート４ａの板厚の１０％となっている。
【００３３】
本実施形態では、図４に示すろう付け姿勢でインタークーラのろう付けが行われる。図４は、タンク本体部４ｂが取り付けておらず、コアプレート４ａが視認できる状態を示している。図４に示すろう付け姿勢では、ダクティングプレート５１、５２の第１板面５ａが垂直方向に配置され、第２板面５ｂが水平方向に配置され、第２板面５ｂが上側と下側に位置している。コアプレート４ａは、下方に位置するダクティングプレート５１、５２の第２板面５ｂ上で垂直に配置されており、チューブ１は、コアプレート４ａに挿入された状態で水平に配置されている。
【００３４】
ろう付けは、チューブ１、コアプレート４ａ、ダクティングプレート５１、５２のそれぞれの表面にろう材が塗布された状態で行われる。図４に示すろう付け姿勢でろう付けを行う場合には、下方に位置する第２板面５ｂ上にろう材が貯留しやすい。特に、図４において破線で囲んだ左右両端部では、上下方向にチューブ１が存在しないため、ろう材が下方に貯留しやすい。このような場合、ろう付け時にダクティングプレート５１、５２上に貯留したろう材がチューブ１およびフィン２に移動しやすくなる。
【００３５】
このろう付け時に発生するろう材の移動について、図５〜図７に基づいて説明する。図５に示すように、ダクティングプレート５１、５２上にろう材が貯留されると、ダクティングプレート５１とコアプレート４ａとの接合部１００（以下、「下側接合部１００」という）のフィレットがチューブ１とコアプレート４ａとの接合部１０１（以下、「上側接合部１０１」という）のフィレットよりも大きくなる。
【００３６】
フィレットの大きさが異なる接合部１００、１０１がろう材を介して繋がった場合には、以下の数式１に示すヤング・ラプラスの式にしたがって、ろう材はフィレットが大きい下側接合部１００からフィレットが小さい上側接合部１０１に移動し、同一の大きさのフィレットになろうとする。
【００３７】
（数１）
Ｐ＝−γ／Ｒ（Ｐ：ろう材の引く力、γ：表面張力、Ｒ：フィレット半径）
フィレット半径Ｒ１の下側接合部１００では「Ｐ１＝−γ／Ｒ１」となり、フィレット半径Ｒ２の上側接合部１０１では「Ｐ２＝−γ／Ｒ２」となる。「下側接合部１００のフィレット半径Ｒ１」＞「上側接合部１０１のフィレット半径Ｒ２」のとき、「下側接合部１００のろう材の引く力Ｐ１」＜「上側接合部１０１のろう材の引く力Ｐ２」となる。このため、図５の矢印Ａで示すように、フィレットが大きい下側接合部１００からフィレットが小さい上側接合部１０１にろう材が移動することとなる。さらに、チューブ１とコアプレート４ａとの接合部１０１に移動したろう材は、図５の矢印Ｂで示すように、チューブ１とフィン２との接合部にも移動する。
【００３８】
図６に示すように、ろう付け後のコアプレート４ａの表面には、ろう材の膜１００が残存している。下側接合部１００から上側接合部１０１へのろう材の移動は、コアプレート４ａの表面上に存在するろう材の膜１００を経路として行われる。
【００３９】
「発明が解決しようとする課題」の欄で上述したように、下側接合部１００からのろう材の移動によって上側接合部１０１にろう材が過剰に供給されると、ろう材に含まれるＳｉの作用によって、上側接合部１０１で図７（ａ）に示すエロージョン（溶食）や図７（ｂ）に示すディソリューション（溶解溝）が発生するおそれがある。
【００４０】
本発明者らは、上側接合部１０１でのエロージョン等の発生を抑制するために、フィレットの大きさが異なる接合部１００、１０１を繋ぐろう材の膜厚Ｄによって、ろう材の移動量が異なることに着目した。
【００４１】
コアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚Ｄは、主にろう材のＳｉ含有率に基づいて決定され、ろう材のＳｉ含有率が高いほどコアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚Ｄが薄くなる。つまり、ろう材のＳｉ含有率を高くすると、ろう材の流動係数が高くなるため、コアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚Ｄが薄くなる。例えば、ろう付け後にコアプレート４ａに残存するろう材の膜厚Ｄは、Ｓｉ含有率１０％のろう材を用いた場合は約４７μｍであり、Ｓｉ含有率１２％のろう材を用いた場合は約１５μｍである。
【００４２】
ここで、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率を変化させてろう付けを行った結果を図８に基づいて説明する。図８は、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率を１０．０％、１１．３％、１２．０％、１２．６％にそれぞれ変化させてろう付けを行った場合に、上側接合部１０１（コアプレート４ａとチューブ１の接合部）でのエロージョンの発生の有無を調べた結果を示している。
【００４３】
図８に示すように、Ｓｉ含有率１０．０％のろう材を用いた場合には、上側接合部１０１でエロージョンが発生した。これに対し、Ｓｉ含有率１１．３％、１２．０％、１２．６％のろう材を用いた場合には、上側接合部１０１でエロージョンが発生しなかった。つまり、ろう材のＳｉ含有率を高くすることで、コアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚が薄くなって、下側接合部１００から上側接合部Ａ２へのろう材の移動を抑制でき、上側接合部１０１でエロージョンの発生を抑制できるものと考えられる。具体的には、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率が１１．３％以上であれば、上側接合部１０１でのエロージョンの発生を防ぐことができる。
【００４４】
また、コアプレート４ａに設けられた下側接合部１００と上側接合部１０１にろう材を供給するために、コアプレート４ａに塗布されるろう材は、ある程度の厚みを確保する必要がある。このため、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率を高くしすぎると、ろう材の膜厚が薄くなり、コアプレート４ａに設けられた接合部１００、１０１の接合性が悪化する。このため、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率は１３％を上回らないことが望ましい。
【００４５】
以上説明した本実施形態によれば、コアプレート４ａに塗布されるろう材のＳｉ含有率を１１．３％以上とすることで、ろう付け時にダクティングプレート５１、５２上に貯留されたろう材が、コアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜を介してチューブ１やフィン２に移動することを抑制できる。これにより、ろう付け時に過剰なろう材がチューブ１やフィン２に供給されることを抑制でき、ろう材に含有されるＳｉに起因するエロージョンやディソリューションの発生を抑制できる。また、本実施形態によれば、ろう付け時におけるコンベア速度を低下させる必要がなく、インタークーラの生産性の悪化を招くことがない。
【００４６】
（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。
【００４７】
（１）上記実施形態では、コアプレート４ａの板厚を１．２５ｍｍとしたが、コアプレート４ａの板厚が薄い方がろう付け後にコアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚を薄くすることができる。このため、コアプレート４ａの板厚は１．２５ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００４８】
（２）上記実施形態では、コアプレート４ａに塗布されるろう材のクラッド率をコアプレート４ａの板厚の１０％としたが、クラッド率が低い方がろう付け後にコアプレート４ａの表面に残存するろう材の膜厚を薄くすることができる。このため、コアプレート４ａに塗布されるろう材のクラッド率をコアプレート４ａの板厚の１０％以下とすることが望ましい。
【００４９】
（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。
【符号の説明】
【００５０】
１      チューブ
２      フィン
３      コア部
４      タンク部
４ａ    コアプレート
５      吸気流路形成部材
５１    第１ダクティングプレート
５２    第２ダクティングプレート
１００  下側接合部
１０１  上側接合部
【図１】
2016145662.tif 000003
【図２】
2016145662.tif 000004
【図３】
2016145662.tif 000005
【図４】
2016145662.tif 000006
【図５】
2016145662.tif 000007
【図６】
2016145662.tif 000008
【図７】
2016145662.tif 000009
【図８】
2016145662.tif 000010