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JP2009074751A - 複合型熱交換器 - Google Patents

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JP2009074751A
JP2009074751A JP2007245015A JP2007245015A JP2009074751A JP 2009074751 A JP2009074751 A JP 2009074751A JP 2007245015 A JP2007245015 A JP 2007245015A JP 2007245015 A JP2007245015 A JP 2007245015A JP 2009074751 A JP2009074751 A JP 2009074751A
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tube
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oil
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Masayuki Makita
雅之 牧田
Atsushi Hayasaka
厚 早坂
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Denso Corp
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Abstract

【課題】チューブに作用する熱応力を抑制しつつ、リターンパイプをサイドプレートに固定することができる複合型熱交換器を提供する。
【解決手段】サイドプレート6に、サイドプレート6のうち第1ヘッダタンク51に接続される部位と、サイドプレート6のうち第2ヘッダタンク52に接続される部位とを分断する分断部63を形成し、固定部材90によって、リターンパイプ9を分断部93よりも第1ヘッダタンク51側となるサイドプレート6の部位に固定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の熱交換器部を有する複合型熱交換器に関する。
自動車等の車両には、空調冷媒冷却用のコンデンサや、エンジン冷却水冷却用のラジエータの他に、車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイル冷却用のオイルクーラや、過給器にて加圧されたエンジンの吸気と空気とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラ等、多くの熱交換器が備えられている。
近年、車両の衝突安全性に伴う熱交換器の薄幅化、コンパクト化による設置スペースの節減、組み付け作業工数の削除等が望まれている。その対応として、1つの熱交換器の左右一対のヘッダタンク内を互いに対応する位置で仕切板で仕切ることにより、1つの熱交換器コアに互いに独立した第1熱交換器部と第2熱交換器部の2つの熱交換器機能を持たせるようにした複合型熱交換器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、コンデンサはその放熱性能がコンプレッサ作動時の高圧圧力を支配することから、コンプレッサ作動時の動力低減の観点より、搭載可能な限り幅(チューブ長手方向の長さ)を大きく設計することが一般的である。このようなコンデンサにオイルクーラを一体化する場合、当然ながらオイルクーラの幅はコンデンサの幅と同一寸法に設定される。このため、オイルクーラは、独立に配置した場合と比較して幅寸法が長くなってしまうので、通油抵抗の増加を招くこととなる。
これに対し、熱交換器内でのオイルの流れを一方向とすることで、十分なオイル流路面積を確保し、通油抵抗を低減する方法がある。この方法では、熱交換器へのオイル流入口とオイル流出口がコア部を挟むように設置される。このとき、オイル流入口とオイル流出口とを近い位置に配設し、オイル配管の取り廻し性を向上させたいというニーズに対応するために、オイル流出口にリターンパイプの一端を接続するとともに、このリターンパイプの他端をオイル流入口側に配置するという方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
米国特許第6394176号明細書 「空冷式複合熱交換器」,デンソー公開技報,株式会社デンソー,2004年7月15日,整理番号144−037
ところで、上記非特許文献1に記載の複合型熱交換器において、リターンパイプの固定を考えるときに、本熱交換器外部への固定は車両組み付け時の工数が増加するという問題があり、コア前面への固定は搭載スペースを確保し難いという問題がある。そこで、熱交換器のコア部を補強するサイドプレートへの固定が搭載性に有利な案として考えられるが、熱交換器の端部を拘束することにより、チューブへの熱応力増加を招く懸念がある。なお、ここでいう熱応力とは、オイルクーラとコンデンサの熱媒体温度差により発生するものや、オイルクーラとサイドプレートの温度差により発生するものをいう。
本発明は、上記点に鑑み、チューブに作用する熱応力を抑制しつつ、リターンパイプをサイドプレートに固定することができる複合型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、本発明では、サイドプレート(6)には、サイドプレート(6)のうち一方のヘッダタンク(51)に接続される部位と、サイドプレート(6)のうち他方のヘッダタンク(52)に接続される部位とを分断する分断部(63)が形成されており、固定部材(90)によって、リターンパイプ(9)は分断部(63)よりも一方のヘッダタンク(51)側となるサイドプレート(6)の部位に固定されていることを特徴としている。
このように、リターンパイプ(9)を、サイドプレート(6)における分断部(63)より一方のヘッダタンク(51)側、すなわちリターンパイプ(9)が接続されているヘッダタンク(51)側の部位に固定することで、第2チューブ(22)が熱膨張した際に、サイドプレート(6)の各分断片がリターンパイプ(9)により拘束されることなく、サイドプレート長手方向にそれぞれ自由に移動することができる。これにより、第2チューブ(22)の熱膨張を吸収することができるため、第2チューブ(22)の熱膨張に伴う熱応力を緩和することができる。したがって、第2チューブ(22)に作用する熱応力を抑制しつつ、リターンパイプ(9)をサイドプレート(6)に固定することが可能となる。
また、上記特徴の複合型熱交換器において、第1熱交換器部は、冷凍サイクル内を循環する冷媒を冷却するコンデンサ部(100)であり、第2熱交換器部は、車載機器のオイルを冷却するオイルクーラ部(200)であってもよい。
また、上記特徴の複合型熱交換器において、一方のヘッダタンク(51)は、第2チューブ(22)に第2流体を分配するように構成されており、他方のヘッダタンク(52)は、第2チューブ(22)から流出する第2流体を集合するように構成されていてもよい。
また、上記特徴の複合型熱交換器において、固定部材(9)は、受部(91)および蓋部(92)を有しているとともに、受部(91)および蓋部(92)によりリターンパイプ(9)を挟み込んで固定できるように構成されており、サイドプレート(6)には、固定部材(90)の受部(91)に設けられた係止爪(93)が係止される貫通孔(64)が形成されており、係止爪(93)が貫通孔(64)に係止されることにより、固定部材(90)がサイドプレート(6)に固定されるようになっていてもよい。
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。
以下、本発明の一実施形態について図1および図2に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る複合型熱交換器を、内燃機関(エンジン)を駆動源として走行する車両に適用した場合を例として説明する。
図1は、本実施形態に係る複合型熱交換器1を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の複合型熱交換器1は、複数のチューブ2およびフィン3からなる1つのコア部4と、コア部4の左右両端部に組み付け配置される一対のヘッダタンク5とを有している。
チューブ2は熱媒体(本実施形態では、冷媒またはオイル)が流れる管であり、このチューブ2は、空気流れ方向(紙面垂直方向)が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が水平方向に一致するように鉛直方向に複数本平行に配置されている。フィン3は、波状に成形されるとともに、チューブ2の両側の扁平面に接合されており、このフィン3により空気との伝熱面積を増大させて熱媒体と空気との熱交換を促進している。
ヘッダタンク5は、チューブ2の長手方向端部(本実施形態では、左右端)にてチューブ2の長手方向と直交する方向(本実施形態では、鉛直方向)に延びて複数のチューブ2と連通するもので、このヘッダタンク5は、チューブ2が挿入接合されるコアプレート5aと、コアプレート5aとともにタンク内空間を構成するタンク本体部5bとを有して構成されている。なお、一対のヘッダタンク5のうち、図1中右側に位置するヘッダタンクを第1ヘッダタンク51といい、図1中左側に位置するヘッダタンクを第2ヘッダタンク52という。
コア部4は、車両用冷凍サイクル(空調装置)内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサ部100と、車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイルを冷却するオイルクーラ部200とを構成するものである。本実施形態では、コンデンサ部100が下方側に配置され、オイルクーラ部200が上方側に配置されている。
また、コア部4おけるチューブ積層方向両端部には、コア部4を補強するサイドプレート6が設けられている。サイドプレート6は、チューブ長手方向と平行に延びてその両端部がヘッダタンク5に接続されている。
ここで、複数のチューブ2のうち、コンデンサ部100を構成し、冷媒が流通するチューブを第1チューブ21といい、オイルクーラ部200を構成し、オイルが流通するチューブを第2チューブ22という。なお、コンデンサ部100が、本発明の第1熱交換器部に相当し、冷媒が第1流体に相当している。また、オイルクーラ部200が本発明の第2熱交換器部に相当し、オイルが第2流体に相当している。
ヘッダタンク5の内部において、コンデンサ部100とオイルクーラ部200との境界部(第1チューブ21と第2チューブ22との間)には、2枚の第1セパレータ71が配置されている。2枚の第1セパレータ71は、所定間隔離して設けられている。これにより、ヘッダタンク5の内部は、2枚の第1セパレータ71を境としてヘッダタンク長手方向(鉛直方向)に3つに分割されている。
ここで、ヘッダタンク5内部において、2枚の第1セパレータ71より下側の空間を第1空間50Aといい、2枚の第1セパレータ71より上側の空間を第2空間50Bといい、2枚のセパレータ71の間の空間を第3空間50Cという。第1空間50Aは第1チューブ21と連通しており、第2空間50Bは第2チューブ22と連通している。第3空間50Cは、第1、第2チューブ21、22いずれにも連通していない。このため、第3空間50Cは断熱用の空間として作用する。
第1チューブ21と第2チューブ22との間には、熱媒体(冷媒およびオイル)が流れないダミーチューブ8が配設されている。このダミーチューブ8は、第3空間50Cと連通している。また、第2ヘッダタンク52のタンク本体部5bのうち第3空間50cに対応する部位には、タンク本体5bをチューブ長手方向に切断する切断部53が設けられている。
次に、オイルクーラ部200の構成について説明する。オイルクーラ部200は、複数の第2チューブ22の全てをオイルが一方向に流れる全パスタイプ(一方向流れタイプ)になっている。以下、第1ヘッダタンク51における第2空間50Bを第1オイルヘッダ部51aといい、第2ヘッダタンク52における第2空間50Bを第2オイルヘッダ部52aという。
第1オイルヘッダ部51aは、第2チューブ22にオイルを分配するように構成されており、第2オイルヘッダ部52aは、第2チューブ22から流出するオイルを集合するように構成されている。そして、第1オイルヘッダ部51aには、オイルをオイルクーラ部200内部に流入させるオイル入口部ジョイント31が設けられている。また、第2オイルヘッダ部52aには、オイルをオイルクーラ部200外部へ流出させるオイル出口部ジョイント32が設けられている。
次に、コンデンサ部100の構成について説明する。第2ヘッダタンク52における第1空間50A(以下、第2冷媒ヘッダ部52bという)には、冷媒をコンデンサ部100内部に流入させる冷媒入口部33と、冷媒をコンデンサ部100外部へ流出させる冷媒出口部34とが設けられている。冷媒入口部33と冷媒出口部34とは、それぞれ第2冷媒ヘッダ部52bの上端側と下端側とに設けられている。
第2冷媒ヘッダ部52b内部の下側寄りの位置には、第2セパレータ72が配置されている。また、第1ヘッダタンク51における第1空間50A(以下、第1冷媒ヘッダ部51bという)内部には、第2セパレータ72と同一高さに第3セパレータ73が配置されている。この第2、第3セパレータ72、73によってコンデンサ部100は2つの熱交換部に分けられている。
コンデンサ部100における第2、第3セパレータ72、73の上方側部位は、冷媒入口部33から流入した気相冷媒と空気とを熱交換させて、冷媒を凝縮させる凝縮部110になっており、凝縮部110から流出した冷媒は、後述するモジュレータ80に流入するようになっている。
また、コンデンサ部100における第2、第3セパレータ72、73の下方側部位は、後述するモジュレータ80から流入した液相冷媒と空気とを熱交換させて液相冷媒を冷却する過冷却部120になっており、過冷却部120で冷却された冷媒は冷媒出口部34から流出するようになっている。
凝縮部110は、冷媒流れがS字状であるS字ターンタイプになっている。第1冷媒ヘッダ部51bおよび第2冷媒ヘッダ部52bの内部には、凝縮部110の内部における冷媒流れをS字状とするための第4セパレータ74がそれぞれ設けられている。
また、第1ヘッダタンク51の外側(コア部4の反対側)には、鉛直方向に延びる略円筒形状のモジュレータ80が配置されている。モジュレータ80は、気相冷媒と液相冷媒を分離して液相冷媒を溜めるものである。また、モジュレータ80は、第1ヘッダタンク51にろう付けにて接合されている。
モジュレータ80と第1冷媒ヘッダ部51bとは、冷媒流入口81および冷媒流出口82を介して2カ所で連通している。詳細には、冷媒流入口81は、第1冷媒ヘッダ部51bにおける第3セパレータ73より上方側の部位とモジュレータ80内部とを連通させるようになっている。また、冷媒流出口82は、第1冷媒ヘッダ部51bにおける第3セパレータ73より下方側の部位とモジュレータ80内部とを連通させるようになっている。すなわち、冷媒流入口81は、冷媒流出口82より上方側に配置されている。
モジュレータ80は、コンデンサ部100から流出した冷媒を気液分離する内部空間83を有している。内部空間83は、冷媒流入口81および冷媒流出口82に接続されている。そして、冷媒流入口81から流入する冷媒のうち、比重の大きい液相冷媒は内部空間83の鉛直方向(重力方向)下方側に一旦溜まり、比重の小さい気相冷媒は内部空間83の鉛直方向(重力方向)上方側に一旦溜まるようになっている。また、モジュレータ8の内部空間83の下端部には、冷媒中の異物を取り除くためのフィルタ84が設けられている。
ところで、第1ヘッダタンク51のオイル入口部ジョイント31には、オイルが通過するリターンパイプ9の一方の端部が接続されている。リターンパイプ9は、第1ヘッダタンク51の第1オイルヘッダ部51aを介して第2チューブ22と連通している。リターンパイプ9は、コア部4の上側、すなわちオイルクーラ部200に対向する側を通過し、他方の端部、すなわちオイル入口部ジョイント31に接続されていない側の端部が第2ヘッダタンク52側に位置するように、略J字状に屈曲されている。
図2は、本実施形態におけるサイドプレート6および後述する固定部材90を示す拡大斜視図である。図2に示すように、サイドプレート6は、チューブ2の扁平面と略平行な面を有してチューブ長手方向と略平行に延びるベース部61と、ベース部61の空気流れ方向両端部からベース部61に対して略直交する方向(チューブ積層方向)に突出してチューブ長手方向と略平行に延びる一対のリブ62とを有している。また、サイドプレート6は、チューブ長手方向と交差する方向(本実施形態では空気流れ方向)に延びてサイドプレート6を分断する分断部63を有している。これにより、サイドプレート6は、チューブ長手方向に2つに分割されている。本実施形態では、分断部63は、サイドプレート6におけるチューブ長手方向略中央部に配設されている。
コア部4の上側、すなわちオイルクーラ部200に対向する側に配置されるサイドプレート6における、分断部63より第1ヘッダタンク51側の部位には、リターンパイプ9を固定する固定部材90が接続されている。本実施形態では、固定部材90は、サイドプレート9の分断部63近傍に配置されている。
また、固定部材9は、受部91と蓋部92とを有しており、受部91と蓋部92とによりリターンパイプ9を挟み込んで固定できるように構成されている。受部91と蓋部92とは、空気流れ方向一端側で接続されている。また、受部91の空気流れ方向他端側には被係合部910が設けられており、蓋部92の空気流れ方向他端側には被係合部910と係合可能な係合部920が設けられている。これにより、被係合部910と係合部920とが係合していない状態でリターンパイプ9を受部91と蓋部92との間に挟み込んだ後、被係郷部910に係合部920を係合させることで、リターンパイプ9を受部91と蓋部92により固定することができる。
サイドプレート6の一対のリブ62には、固定部材90の受部91に設けられた係止爪93が係止される貫通孔64が形成されている。より詳細には、係止爪93の先端部には、突出部93aが設けられて鍵状に形成されている。貫通孔64は、チューブ長手方向に延びる長方形状に形成されており、一対のリブ62に1つずつ設けられている。そして、貫通孔64のベース部61から遠い側(本例では上方側)の縁部に係止爪93の突出部93aが係止することで、固定部材90がサイドプレート6に固定される。
ところで、オイルは冷媒と比較して温度が高い(120℃程度)ため、第2チューブ22の熱膨張量が大きくなるが、オイル温度の影響を直接受けないサイドプレート6の熱膨張量は小さいので、サイドプレート6により第2チューブ22の変位を拘束されることに起因する熱応力が発生する。そこで、本実施形態のように、第2ヘッダタンク52のタンク本体部5bのうち第3空間50cに対応する部位に切断部53を設けることで、第2チューブ22が熱膨張した際に、第2チューブ22の変位を拘束する力を減少させている。さらに、サイドプレート6にチューブ長手方向と交差する方向に延びてサイドプレート6を分断する分断部63を設けることで、分断されたサイドプレート6の各分断片がチューブ長手方向にそれぞれ移動することにより、第2チューブ22の熱膨張を吸収し、第2チューブ22の熱膨張に伴う熱応力を緩和している。
本実施形態では、リターンパイプ9をサイドプレート6に固定部材90を用いて固定するが、このとき、リターンパイプ9による拘束力が第2チューブ22に働かないようにする必要がある。このため、固定部材90を分断されたサイドプレート6のうち第1ヘッダタンク側51の分断片に配設し、リターンパイプ9をサイドプレート6における分断部63より第1ヘッダタンク51側、すなわちリターンパイプ9が接続されているヘッダタンク51側の部位に固定している。これにより、第2チューブ22が熱膨張した際に、サイドプレート6の各分断片がリターンパイプ9により拘束されることなく、チューブ長手方向にそれぞれ自由に移動することができる。このため、第2チューブ22の熱膨張を吸収することができるので、第2チューブ22の熱膨張に伴う熱応力を緩和することができる。したがって、第2チューブ22に作用する熱応力を抑制しつつ、リターンパイプ9をサイドプレート6に固定することが可能となる。
ところで、オイルは温度が高いほど粘性が低下し、通油抵抗が低下する。このため、本実施形態のように、リターンパイプ9を、第2チューブ22にオイルを分配する第1オイルヘッダ部51aに接続し、オイルクーラ部200を通過して冷却される前の高温のオイルをリターンパイプ9に流すことで、リターンパイプ9の通油抵抗を減少させ、オイルクーラ部200の熱交換性能を向上させることができる。
(他の実施形態)
なお、上記実施形態では、第1熱交換器部として冷凍サイクルを循環する冷媒を冷却するコンデンサ部100を適用したが、これに限らず、エンジン冷却水を冷却するラジエータ部等を適用してもよい。
また、上記実施形態では、第2熱交換器部として車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイルを冷却するオイルクーラ部200を適用したが、これに限らず、エンジンオイル冷却用のオイルクーラ部、パワーステアリングオイル冷却用のオイルクーラ部、過給器にて加圧されたエンジンの吸気と空気とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラ部等を適用してもよい。
また、上記実施形態では、コンデンサ部100を、凝縮部110および過冷却部120を有するように構成したが、これに限らず、過冷却部120を設けなくてもよい。
また、上記実施形態では、複合型熱交換器1において、上方からオイルクーラ部200、凝縮部110、過冷却部120の順に配置した例について説明したが、これに限らず、上方からオイルクーラ部200、過冷却部120、凝縮部110の順に配置してもよいし、上方から過冷却部120、凝縮部110、オイルクーラ部200の順に配置してもよいし、上方から凝縮部110、過冷却部120、オイルクーラ部200の順に配置してもよい。
また、上記実施形態では、熱媒体(冷媒またはオイル)が水平方向に流れるクロスフロー型の複合型熱交換器1に本発明を適用した実施形態について述べたが、熱媒体が上下方向に流れるダウンフロー型の複合型熱交換器に本発明を適用することもできる。
また、上記実施形態では、固定部材90をサイドプレート6の分断部63近傍に設けた例について説明したが、分断部63よりも第1ヘッダタンク51側であれば任意の位置に設けることができる。
また、上記実施形態では、オイルクーラ部200を全パスタイプとした例について説明したが、これに限らず、例えばオイル流れがU字状であるU字ターンタイプとしてもよい。オイルクーラ部200を全パスタイプからU字ターンタイプとすることでオイルの流速が上昇し、熱交換性能が向上することが知られている。このため、熱交換性能を向上させるためにオイルクーラ部をU字ターンタイプとするのが好ましいが、オイル配管の取り廻しの都合上、コア部の両端にオイル配管接続用のジョイントを設ける必要がある場合に、一方のジョイントにリターンパイプ9を接続するとともに、このリターンパイプ9をサイドプレート6における分断部63よりリターンパイプ9が接続されている側の部位に固定するとよい。
本発明の実施形態に係る複合型熱交換器1を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるサイドプレート6および固定部材90を示す拡大斜視図である。
符号の説明
5…ヘッダタンク、6…サイドプレート、9…リターンパイプ、21…第1チューブ、22…第2チューブ、51…第1ヘッダタンク(一方のヘッダタンク)、52…第2ヘッダタンク(他方のヘッダタンク)、63…分断部、64…貫通孔、90…固定部材、91…受部、92…蓋部、93…係止爪、100…コンデンサ部(第1熱交換器部)、200…オイルクーラ部(第2熱交換器部)。

Claims (4)

  1. 第1流体が流通する第1チューブ(21)を複数本積層して構成され、前記第1流体と空気とを熱交換して前記第1流体を冷却する第1熱交換器部(100)と、
    前記第1流体より温度の高い第2流体が流通する第2チューブ(22)を、前記第1チューブ(21)の積層方向に複数本積層して構成され、前記第2流体と空気とを熱交換して前記第2流体を冷却する第2熱交換器部(200)と、
    前記第1チューブ(21)および前記第2チューブ(21、22)の端部がそれぞれ接続される一対のヘッダタンク(5)と、
    前記一対のヘッダタンク(5)のうち一方のヘッダタンク(51)における前記第2熱交換器部(200)に連通する部位に一端が接続され、他端が他方のヘッダタンク(52)側に延びるリターンパイプ(9)と、
    前記第2チューブ(22)の積層方向において最も外側に配置される前記第2チューブ(22)の外側に配置され、前記ヘッダタンク(5)に接続されるサイドプレート(6)と、
    前記リターンパイプ(9)を前記サイドプレート(6)に固定する固定部材(90)とを有する複合型熱交換器であって、
    前記サイドプレート(6)には、前記サイドプレート(6)のうち前記一方のヘッダタンク(51)に接続される部位と、前記サイドプレート(6)のうち前記他方のヘッダタンク(52)に接続される部位とを分断する分断部(63)が形成されており、
    前記固定部材(90)によって、前記リターンパイプ(9)は前記分断部(63)よりも前記一方のヘッダタンク(51)側となる前記サイドプレート(6)の部位に固定されていることを特徴とする複合型熱交換器。
  2. 前記第1熱交換器部は、冷凍サイクル内を循環する冷媒を冷却するコンデンサ部(100)であり、
    前記第2熱交換器部は、車載機器のオイルを冷却するオイルクーラ部(200)であることを特徴とする請求項1に記載の複合型熱交換器。
  3. 前記一方のヘッダタンク(51)は、前記第2チューブ(22)に前記第2流体を分配するように構成されており、
    前記他方のヘッダタンク(52)は、前記第2チューブ(22)から流出する前記第2流体を集合するように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の複合型熱交換器。
  4. 前記固定部材(9)は、受部(91)および蓋部(92)を有しているとともに、前記受部(91)および前記蓋部(92)により前記リターンパイプ(9)を挟み込んで固定できるように構成されており、
    前記サイドプレート(6)には、前記固定部材(90)の前記受部(91)に設けられた係止爪(93)が係止される貫通孔(64)が形成されており、
    前記係止爪(93)が前記貫通孔(64)に係止されることにより、前記固定部材(90)が前記サイドプレート(6)に固定されるようになっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の複合型熱交換器。
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